基于SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)偏航誤差分析

【摘要】偏航系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組重要的組成部分，降低風(fēng)電機(jī)組的偏航誤差是提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率、降低載荷提高安全運(yùn)行的重要手段。隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加，因風(fēng)向傳感器與風(fēng)輪軸線之間對零和信號(hào)采集干擾等原因引起風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)偏航誤差。本文針對在役風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)偏航誤差提出利用SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)選取最大風(fēng)能效率風(fēng)速段即最佳葉尖速比風(fēng)速段，建立偏航誤差和風(fēng)速為維度的功率累加均值模型，在此風(fēng)速段中輸出累加功率均值最大值對應(yīng)的偏航誤差角為靜態(tài)偏航誤差。利用機(jī)艙式激光雷達(dá)測風(fēng)儀在某風(fēng)電場進(jìn)行驗(yàn)證測試，驗(yàn)證結(jié)果證明了方法的有效性。【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)最佳葉尖速比靜態(tài)偏航誤差功率累加模型

1.引言根據(jù)國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年全國累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約25.6億千瓦，同比增長7.8%；可再生能源總裝機(jī)超過12億千瓦，其中，風(fēng)電裝機(jī)容量約3.7億千瓦，同比增長11.2%。根據(jù)中國可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)公布數(shù)據(jù)，截止2022年底運(yùn)行超過10年的風(fēng)電機(jī)組容量約9140萬千瓦。風(fēng)力資源具有隨機(jī)性和間歇性等特點(diǎn)，偏航誤差不僅增加風(fēng)電機(jī)組載荷，而且還會(huì)降低機(jī)組的發(fā)電性能；偏航系統(tǒng)性能影響著風(fēng)電機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)行，引起偏航誤差主要分為動(dòng)態(tài)偏航誤差和靜態(tài)偏航誤差；動(dòng)態(tài)偏航誤差與風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，可以通過優(yōu)化偏航控制策略來減少，但過于頻繁的偏航也影響相關(guān)部件的壽命；靜態(tài)偏航誤差與儀器安裝和干擾等引起的原因相關(guān)屬于系統(tǒng)誤差，應(yīng)建立一套有效的檢測和校正方法。本文提出利用SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)建立偏航誤差和風(fēng)速為維度的功率累加均值模型，檢測偏航系統(tǒng)的靜態(tài)偏航誤差，該方法在不增加硬件設(shè)備的情況下，形成在線式的檢測且精度較高，對提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能和安全性有著積極意義。

2.基于SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)偏航誤差分析方法2.1風(fēng)電機(jī)組風(fēng)向傳感器的零點(diǎn)偏移風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪軸線與風(fēng)向之間的夾角稱為偏航角，風(fēng)電機(jī)組通過檢測風(fēng)速、偏航角和大于偏航角閾值設(shè)定時(shí)間控制偏航機(jī)組啟動(dòng)對風(fēng)策略，使風(fēng)輪軸線與風(fēng)向保持一致。因風(fēng)向傳感器在安裝和長時(shí)間運(yùn)行等原因使得風(fēng)向傳感器零點(diǎn)與風(fēng)輪軸線有偏差，稱為零點(diǎn)偏移現(xiàn)象。如圖1所示，風(fēng)輪軸線與風(fēng)向傳感器零點(diǎn)不一致出現(xiàn)誤差角度θ1，風(fēng)輪軸線與風(fēng)向的角度為θ，風(fēng)向傳感器檢測與風(fēng)向的角度為θm，偏航系統(tǒng)的偏航角度與風(fēng)輪軸線與風(fēng)向角度不一致，這種有零點(diǎn)偏移引起的角度稱為靜態(tài)偏航誤差。圖1：零點(diǎn)偏移現(xiàn)象2.2建模原理分析根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)貝茲理論，風(fēng)電機(jī)組捕獲功率表示為：

(1)式中：——空氣密度——風(fēng)輪掃掠面積——風(fēng)速——風(fēng)能利用系數(shù)——葉尖速比——槳距角——偏航誤差根據(jù)式（1），在運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組中風(fēng)輪掃掠面積和空氣密度基本不變，捕獲功率與風(fēng)速、風(fēng)能利用系數(shù)和偏航誤差有關(guān)；在已知某風(fēng)速下，假定風(fēng)能利用系數(shù)不變?nèi)绻秸`差為零時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出功率為最優(yōu)值；反之，在已知某風(fēng)速下，假定風(fēng)能利用系數(shù)不變，在風(fēng)電機(jī)組輸出功率為最優(yōu)值時(shí)對應(yīng)的偏航誤差就是風(fēng)向傳感器的零點(diǎn)偏移角度θ1。在風(fēng)電機(jī)組未滿功率之前槳距角為零，通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使機(jī)組工作在最大風(fēng)能捕獲狀態(tài)，此時(shí)的風(fēng)能利用系數(shù)為最大值，對于葉尖速比為最佳葉尖速比。風(fēng)能利用系數(shù)和葉尖速比、槳距角關(guān)系為：

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(4)式中：——風(fēng)輪葉片長度——風(fēng)輪角速度在風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況中風(fēng)電機(jī)組不總運(yùn)行在最佳葉尖速比情況下，做葉尖速比與風(fēng)速散點(diǎn)圖找出最佳葉尖速比的風(fēng)速區(qū)間，在該區(qū)間風(fēng)能利用系數(shù)基本不變，選取該風(fēng)速區(qū)間數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。圖2：葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)曲線2.3功率累加均值模型的建立功率累加均值模型分為一維功率累加均值模型和二維功率累加均值模型；一維功率累加均值模型是在不同偏航誤差下bin風(fēng)速區(qū)間內(nèi)各點(diǎn)功率累加均值，優(yōu)點(diǎn)是可以顯示不同偏航誤差下各bin風(fēng)速功率趨勢，缺點(diǎn)是不能顯著表示出風(fēng)電機(jī)組的靜態(tài)偏航誤差；二維功率累加均值模型是在一維模型的基礎(chǔ)上對同一偏航誤差下再進(jìn)行功率累加均值，在此曲線下最大功率值對應(yīng)的偏航誤差為靜態(tài)偏航誤差。一維功率累加均值模型表示為：

(5)式中：——偏航誤差區(qū)間——bin風(fēng)速區(qū)間——偏航誤差區(qū)間內(nèi)bin風(fēng)速的風(fēng)電機(jī)組功率當(dāng)子區(qū)間[]中有m個(gè)有效數(shù)據(jù)時(shí)，子區(qū)間一維功率累加均值為：

(6)當(dāng)在某偏航誤差區(qū)間內(nèi)一維功率累加均值有S個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，二維功率累加均值為：

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3.風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)偏航誤差分析與驗(yàn)證3.1風(fēng)電機(jī)組SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)篩選風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行受環(huán)境、調(diào)度和設(shè)備健康狀況等情況影響使風(fēng)電機(jī)組處于非正常狀態(tài)，為分析不受異常數(shù)據(jù)的影響，需要對SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。一般選取運(yùn)行、限功率和故障標(biāo)志位等開關(guān)信號(hào)及風(fēng)速、溫度、功率和濕度等模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選；篩選后的風(fēng)速—功率散點(diǎn)圖和風(fēng)速—葉尖速比散點(diǎn)圖如圖3和圖4所示。圖3：風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖圖4：風(fēng)速-葉尖速比散點(diǎn)圖3.2基于模型的靜態(tài)偏航誤差分析根據(jù)圖3、圖4可知，風(fēng)電機(jī)組低風(fēng)速啟動(dòng)階段和接近額定功率階段葉尖速比變化較大風(fēng)能利用系數(shù)較低，在風(fēng)速區(qū)間[6m/s,8m/s]時(shí)葉尖速比以最佳值呈對稱分布，在此區(qū)間風(fēng)能利用系數(shù)穩(wěn)定。在風(fēng)速區(qū)間[6m/s,8m/s]以0.2m/s為步長，偏航誤差以2°為步長劃分?jǐn)?shù)據(jù)分別代入一維功率累加均值模型和二維功率累加均值模型，如圖5所示一維功率累加均值模型可分析偏航誤差和功率的趨勢，不易判斷功率最優(yōu)值從而不能確定靜態(tài)偏航誤差值；圖6所示二維功率累加均值模型可以明顯的分析出在偏航誤差10°時(shí)為功率最優(yōu)值，從而可以判斷靜態(tài)偏航誤差為10°。圖5：一維功率累加均值模型圖6：二維功率累加均值模型3.3有效性驗(yàn)證在風(fēng)電機(jī)組上安裝機(jī)艙式激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集機(jī)艙與實(shí)際風(fēng)向的夾角來驗(yàn)證靜態(tài)偏航誤差檢測方法的有效性。分別采集1D~4D風(fēng)輪直徑處的風(fēng)向數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出各距離的風(fēng)向夾角平均值如表1所示，機(jī)艙與實(shí)際風(fēng)向的夾角均值為9.8°，與二維功率累加均值模型分析出的10°誤差為0.2°，證明了二維功率累加均值模型方法分析精度較高。表1：1D~4D