关于低风速风电场优化风机控制策略的初步探讨

邬勇 李畅

摘 要：随着2018年中国家能源局相继发布了风电和光伏新政，风电“平价上网”时代即将到来，作为已投入运营的风电大市场，如何提高风机发电效率和可靠性，进一步挖掘和分析风机底层数据，提高设备转换效率成为风电运营商和主机厂家迎接“竞价上网”新时代的开拓方向，本文以一个风电运营商的角度，对低风速风电场风电机组运行方式优化控制从偏航控制策略、暴风控制策略和双模运行等三方面进行初步探讨和交流。

关键词：运行优化;偏航控制;暴风控制;双模运行

风力发电机组的主控系统在整个风机系统中，起着中心控制功能，如同大脑，在风机整体机构的基础上，通过控制思想将变桨、变流有机的协调起来，是机组自动发电控制的核心，其中偏航控制、暴风控制以及运行模式调整对风电机组的载荷优化、效率提升起着至关重要的作用，现从风机运行策略中偏航控制，暴风控制、双模运行等方面提出新的控制思路。

一、偏航控制策略

偏航系统的作用是保持机舱与风向一致，使风机获取更多风能。风电机组偏航的启动、停止以及偏航精准度都会由偏航参数进行调整，所以给风机合理的设置偏航参数是一项很困难却很重要的事情。因为偏航的准确性关系到了风机的出力和机械磨损情况，如果设置标准过大则导致实际风向变化较小的情况下，偏航不动作，从而使风机叶轮扫风面积减小，影响风机出力，如果偏航设置过小，加上风速、风向不稳定，会造成风机不停止的启动偏航，增加解缆频次，加速偏航刹车片、偏航驱动装置等机械部件磨损，减少风机寿命，同时增加了风机电量损失。

另外由于风机的风速计、风向标等传感器往往安装在叶轮之后，而风在遇到遮挡后产生涡流会影响到风机对风向和风速的测量，由此带来的偏航长时间对风不准确，这不仅影响到风机出力，同时会造成风机侧风向工作，这样不仅功率会受到影响而且长时间受到一个从侧面来的力量，使主轴偏移中心轴转动，会导致机组载荷异常、主轴磨损，齿轮箱齿面磨损，发电机对中位移等更严重的问题。

因此对于风机偏航参数设置需要结合风电场所处风资源特点进行调整和优化，特别低风速风电场部分特殊地形、微气象的风电机组，其偏航控制策略更需要结合工况实际调整。目前通常采用的三种偏航控制策略如下：

1、固定参数偏航控制策略

以东方风电某机型为例，设定偏航启动风速为3m/s，当风速在6m/s及以下，机舱位置偏离风向超过16°延时120s后进行偏航对风，当风速在7m/s以上，机舱位置偏离风向超过8°延时60s后进行偏航对风。当机舱位置偏离风向超过25°则立即启动偏航对风。

固定参数偏航控制通过积累风能资源规律，不断调整偏航控制合理的参数设置，最终摸索出风机准确及时捕获风向与设备机械磨损之间的平衡值。但由于参数控制固化并不适用于风能资源特殊条件下的风电机组。

2、爬山算法偏航控制

爬山算法的思路是：间隔一段时间发出机组偏航指令，同时在偏航过程中不间断的对风机输出功率进行测量，并将当前测量功率P（n）与上一次的测量值P（n-1）进行比较，如果功率下降超过设定值，则发出偏航反转指令，如果功率上升超过设定值，则发出偏航正转指令。

这类基于爬山算法的控制策略虽能提高风机捕获风能的能力，但由于频繁的寻找最大功率点易于形成过频偏航，降低风机寿命。

3、扇区偏航控制

针对于高山风电场、场址区域地形复杂，受山地和悬崖的影响，风向变化范围大且频繁，机组在传统偏航策略下会频繁跟踪风向，但往往由于偏航的滞后性，风机偏航调整到位，风向已发生变化，无法有效捕获风能。扇区偏航控制的思路是积累各风机机位的风能资源特点，通过摸索风能资源风向变化扇区大小和变化速率，结合机组的偏航速率进行仿真计算，绘制一定主风向扇区，当来风方向在主风向扇区内则减少偏航频次。

扇区偏航策略虽对风向变化较大的风能资源提高了利用效率，但对于风况稳定的部分机群将会造成较严重的电量损失问题。

基于以上三种偏航控制策略存在的弊端，笔者提出新的偏航策略思路：基于现行通过偏航角度误差调整偏航的控制策略基础上，在大风时段，一定偏航角度内结合爬山控制算法，提高偏航捕风效率和精度，同时优化大风时段风机载荷，在小风时段和风向突变情况下以现有偏航策略基础上结合扇区偏航控制策略，减少偏航次数，提高捕风效率。

二、暴风控制策略

目前市场主流的双馈机型风电机组高风切出控制，即通过对风电机组极限载荷计算确定风机安全运行风速范围。当风速超出安全运行范围，为确保风机安全将机组切出停运。

暴风控制策略是结合风电机组结构和载荷设计，计算机组裕量，在切出风速以后的部分风速段下通过调整最佳的桨距，减轻机组载荷，提高机组运行风速范围。在极限风速条件下进一步挖掘高风速段的宝贵风能资源的有效利用。

暴风控制可利用仿真工具和模拟计算，模拟暴风天气下风力发电机的极限载荷，通过调整变桨和偏航控制策略，使风机在安全的范围内减小结构载荷，保证风力发电机组的可靠性和可用性。

三、双模运行

所谓双模运行控制策略是指在双馈风力发电机组的基础上对并网硬件以及控制策略进行一定调整，实现高速双馈和高速鼠笼两种模式切换运行，实现低风时段风能资源的有效利用。

以四川南部某风电场东方风电试验机型为例，在机组控制策略中设计高速鼠笼和双馈两种发电模式，低风速段时将定子三相绕组短路，以高速鼠笼发电机组形式运行，高风速段时断开短接接触器切换为传统双馈发电机组运行，有效挖掘低风速段风能资源。即在0.7n0～1.17n0（n0为额定转速）转速范围内，按照高速双馈模式运行;在低于0.7n0时则按照高速鼠籠模式运行。通过这两种模式的切换，使得风电机组能够在尽可能大的转速范围内运行，从而确保风轮在较大的范围内保持效率最优，即风轮CP最大。

据目前试验数据观察，双模运行机组能够保持1.5m/s维持发电状态，1.5m/s-4.5m/s风速段比传统双馈机型功率曲线能提升11%左右。

结 语

对于风电机组控制策略的优化与提升还有很多措施和方法，开展控制策略的优化提升不仅能进一步为风电运营企业降本增效、提高设备可利用率，同时也是在未来智能化风机控制系统的发展方向。

参考文献

[1] 西班牙 （西）罗西宁.风电机组控制与监测. 中国三峡出版社.2018

[2] 叶杭治.风力发电机组的控制技术.北京.机械工业出版社.2015

[3] 四川省能投盐边新能源开发有限公司《故障处理手册》.2018

作者简介：邬勇（1974--），男，四川省能投盐边新能源开发有限公司、研究方向：风力发电技术、四川省攀枝花市盐边县红格镇

李畅（1991--），男，四川省能投盐边新能源开发有限公司、研究方向：风电场运维检修、四川省攀枝花市盐边县红格镇。