基于集群相似的风力发电机组偏航角度估值方法研究

崔 帅，陈 锋，吉佳林，李玉麒

(乌鲁木齐金风天翼风电有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026)

0 引言

近年来随着世界各国对环境保护和节能减排的重视程度不断高涨，风力发电在能源领域受重视程度也越来越高，中国提出到2030年风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上，非石化能源消费比重达到25%左右的目标[1]，这必将推动风电迎来新一轮快速增长。在此背景下探索风力发电机组容错运行技术，提高风力发电机组可利用率、研究风力发电机组智能监测技术，及时发现机组亚健康状态，减少发电量损失，对风力发电具有积极意义。本文研究基于集群相似的风力发电机组偏航角度估算方法，通过风电场中其他相邻机组来估算目标机组偏航角度，预期达到两个效果：①容错运行，即当机组风向标损坏，需要等待备品备件到货时(根据风电场是否有存货以及备件采购地点及运输条件，一般需要一至数天时间)，采用估值偏航角度结合其他安全策略控制机组容错运行，以尽可能减少发电损失；②实时监测机组偏航对风系统运行状态，这是由于风力发电机组功率输出与叶轮扫风面积的三次方成正比[2]，因此一旦机组偏航对风系统出现异常将影响机组发电量，通过比较估值偏航角度与实际偏航角度，发现偏航系统问题及时通知现场维护人员进行检查，可减少由此带来的机组发电量损失。

1 风电场介绍

本文数据来源为中国西部某风电场，电场风电机组数量33台，场内地表状况为戈壁沟壑。风电场机位排布及地形状况卫星图如图1所示。

图1 风电场机位排布及地形状况卫星图

2 风力发电机组偏航角度估值方法

风力发电机组偏航系统的功能是跟踪风向，驱动机舱沿塔架中心线旋转，尽可能确保叶轮扫风平面与来流风向垂直。大型风力发电机组一般采用主动偏航控制，即由偏航电机带动机头旋转以使风轮始终正对来风[3]。整个偏航系统一般由风向传感器、控制器、执行机构、偏航位置传感器等部分组成，通常偏航位置由风向传感器配合其他参照物确定，本研究的目的是通过风电场中临近机组偏航位置来估算当前风机的偏航位置。用于估算偏航位置的数据可以是机组实时运行数据，也可以是SCADA数据，本研究中使用SCADA数据作为数据源探讨一种基于集群相似的偏航角度估算方法。通过临近机组偏航位置来估算当前机组偏航位置的理论基础是认为风电场空间分布遵循距离越相近，风功率大小越相近[4]。在探讨偏航估值算法时会遇到两种情况：①风电场机组偏航坐标与真北坐标之间关系未知；②风电场机组偏航坐标与真北坐标之间关系已知。本文主要研究第一种情况，第二种情况为第一种情况的简化。

设风电场给定数据集为：

(1)

按照公式(2)分别求解全场各机组实际偏航角度与目标机组实际偏航角度的最优真北角度转换函数：

(2)

通过公式(2)求解得到gi(·)与hi(·)后，利用公式(3)求解通过第i台机组实际偏航角度估算目标机组偏航角度的估算函数fi(·)以及对应的权重因子：

(3)

其中：fi(·)为与第i台机组相对应的目标机组偏航角度估算函数；ωs为与第i台机组相对应的风速相关权重因子，本文取为0；ωt为与第i台机组相对应的环境温度相关权重因子，本文取为0；ωst为与第i台机组相对应的风机状态相关权重因子。

接下来寻找与目标机组相对应的最佳相似机组，按照公式(4)依次计算第i台机组与目标机组的相似性判别因子E0i：

(4)

相似性判别因子E0i最小的机组就是目标机组的最优相似机组，取最优相似机组的实际偏航角度θi，以及对应的函数fi(·)、gi(·)和ωst，得到目标机组的估值偏航角度计算公式：

θe=ωst·fi(gi(θi)).

(5)

3 估值误差评估

为检验风力发电机组偏航角度估值算法的可行性，将风电场32台机组(全场33台机组，其中一台原始数据有问题)2019年1月～10月数据作为总数据集，将2019年1月19日～2019年4月31日的数据作为数据集用于求解估值函数， 将2019年5月1日～2019年10月19日数据作为测试集用于验证算法准确度。

估值误差Eθ采用式(6)进行评估：

Eθ=θe-θ0.

(6)

其中：θ0为目标机组实际偏航角度。

估值偏航角度对实际偏航角度的绝对平均误差Eθa计算公式为:

(7)

由测试集数据得到的1#机组估值偏航角度与实际偏航角度误差分布如图2所示，全场机组估值偏航角度与实际偏航角度误差分布及绝对平均误差如图3所示。

图2 1#机组估值偏航角度与实际偏航角度误差分布

图3 全场机组估值偏航角度与实际偏航角度误差分布及绝对平均误差

4 实际应用可能性探讨

估值偏航角度潜在应用场景有：

(1) 用于对偏航对风系统异常状态预警。当估值偏航角度与实际偏航角度偏差维持在较大值时，可能预示机组偏航对风系统出现异常。

(2) 偏航对风系统容错运行。当偏航对风系统发生故障时，使用估值偏航角度控制机组容错运行。需要注意的是估值偏航角度与实际偏航角度是有偏差的，该偏差可能引起风机载荷变化，已经有文献就此展开了较多研究，Li X等[5]研究了对风偏差对海上风机的影响并得出对风偏差对风机载荷影响很小的结论；Kragh等[6]还曾研究通过偏航误差来降低载荷，并且得到在特定来流下引入大约-30°偏航偏差时叶片静态载荷可减少70%以下的结论；Jeong等[7]研究发现偏航偏差会对水平轴风机叶片气动稳定性带来不利影响。基于以上研究建议在使用估值偏航角度做容错运行时，首先需要根据机型配置进行不同偏航偏差下运行载荷的仿真分析。

5 结论及展望

基于风电场(32台)将近一年的运行数据，采用集群相似偏航估值算法进行分析，得到以下结论：

(1) 全场32台机组估值偏航角度与实际偏航角度绝对平均误差均低于10°，绝对平均误差5°以下的共20台机组，占比62.5%。说明该估值算法具备用于风电场风电机组对风系统故障预警的潜力。

(2) 当机组偏航系统发生故障后，采用估值偏航角度做容错运行，需要对不同偏航偏差下机组运行载荷进行仿真分析，以进行风险评估。

本研究中由于篇幅和算力限制，未引入风速、风向、温度等作为权重因子进行分析，这是因为一旦引入求解会变得相当复杂(在研究过程中已经注意到引入风速权重将会使结果误差进一步缩小)，采用神经网络求解则会极大地影响求解速度且还会出现过拟合现象，这会是未来的一个研究方向。另外机组的位置也会对估值结果产生影响，这也是未来的研究方向。