基于损耗计算的风电偏航策略研究

董召召 谢富强

摘 要：为有效进行偏航控制，降低偏航成本，本文在介绍偏航系统工作原理的基础上，把风力发电机偏航系统控制策略分为重启对风策略和执行对风策略。文章在执行对风策略方面采用的是基于爬山算法的偏航系统控制策略，重启对风策略方面采用的偏航误差角θ和时延閾值T的整定判断，并考虑风电机组运行维护成本和偏航轴承成本等因素提出偏航损耗的计算公式。通过仿真分析，表明该方法有效可行，从而提高偏航系统周期综合经济效益。

关键词：风力发电机 偏航系统 重启策略 经济运行

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（a）-0039-02

风能作为一种储量丰富、清洁可再生能源， 在能源领域中占据着重要的战略地位。为提高风能的利用效率，各种有效的执行对风策略被提出；但关于延长风电机组的工作寿命方面的重启对风策略的研究却很少。

偏航系统能否实现高效精确的追风、稳定运行是由其控制策略直接决定的。基于VHC算法的偏航系统控制策略[1]，大范围风向变化采用风向标控制算法，小范围风向变化采用爬山算法，但这种算法容易形成过频偏航。而目前大部分基于偏航误差角θ和时延阈值T整定的偏航系统重启对风策略[2]，容易将偏航系统寿命消耗在低风速区。

本文基于对上述控制策略的优缺点，提出基于损耗计算的重启对风策略，使风机能够根据风场变化情况，结合设备损耗等，延长风力发电机组的工作寿命。通过Matlab仿真实验，结果表明该方法有效可行。

1 偏航系统重启对风策略

1.1 重启对风策略

目前的大型风电机组偏航系统重启对风策略较为简单，主要采用简单的偏航误差角θ和时延阈值T予以判断，当对风误差角θ和持续时间T大于阈值时，偏航电机执行偏航动作，启动重新对风。但该方法考虑因素不全面，不能高效地进行重启对风控制。本文考虑了风机的偏航齿轮磨损、运行维护费用等因素，构建重启对风策略。

1.2 损耗计算

大型风机偏航轴承一般轴承的寿命时间（h）计算公式如下，其中n单位为：r/min。

式（2）中，Vcut-in为切入风速；Vcut-out为切出风速，P（v）是机组在风速v时的输出功率，?v取0.01m/s。本文c和k分别取值为6.5和2。P为机组的额定功率；PAE为年发电量。偏航轴承[3]的成本是在使用windpact转子研究开发的原始公式计算出来的。

偏航轴承成本=0.0339×（2R）2.964 （3）

风电机组的年运行维护费用为：0.007PAE美元。本文通过把偏航轴承的成本和运行维护费用折算为损耗功率（W），得：

式（4）中t为偏航电机运行时间，单位为s；Co为每秒内的损耗成本；Cm为运行维护成本。损耗成本、运行维护成本单位为W。

当风向变化时，发电机输出功率差值可表达为：

式中△P单位为瓦（W），Pmax为发电机的最大功率；θe为偏航偏差角。

由式（4）、（5）可得代价函数：

2 仿真结果与分析

本文选取仿真参数如下：双馈风力发电机功率为1.5 MW，输出电压为690V，空气密度为ρ=1.25kg/m3，风轮半径R=35m，风轮的转速范围为ω=18～20rpm，风能利用系数为Cp，风机切入风速切出风速分别为3.5m/s、25m/s。这里只考虑低于额定风速时输出功率的变化情况，浆叶节距角β设为0。

图1为风向、风速同时变化的仿真示意图，仿真时间设定为10s。图1（a）中黑色线代表的是功率增量△P，虚线代表的是功率损耗P损，图中阴影部分表示的发电机效益亏损状态下的输出部分。图1（b）表示的是执行重启对风策略后能产生效益的折算功率输出图形。图1（c）表示风速变化曲线。图1（d）表示偏航电机的偏航角度变化曲线。在0～4.8s，14.4～19.3s期间偏航电机停止运行，其他期间为运行时间。

3 结语

仿真结果表明，变风速变风向情况下，采用该策略在保证发电机的发电功率为最佳值前提下，能够有效地实现风力发电机的启停控制，避免偏航电机的过多动作，降低偏航系统的磨损，提高风力发电机组的工作效率，实现风电机组的经济运行。但需要指出，本文中的仿真是在忽略风向、风速波动的情况下进行的。在实际运用中， 这些因素要给予充分考虑。

参考文献

[1] 王秀丽，李岚，杜鹏，等.一种风力发电机组偏航系统的优化设计[J].可再生能源，2014（3）：416-420.

[2] 沈小军，杜万里.大型风力发电机偏航系统控制策略研究现状及展望[J].电工技术学报，2015，30（10）：196-203.

[3] FingershL，Hand M，LaxsonA.Wind Turbine Design Costand Scaling Model， NREL/TP-500-4056[R].USA： NationalRenewable Energy Laboratory，2006.