风力机偏航系统控制策略研究现状及进展

张磊，李继影，李钦伟，张敏策，郭云丰，张立栋*

(1.中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司，北京市 石景山区 100040；2.中广核新能源辽宁分公司，辽宁省 沈阳市 110015；3.中国电建集团吉林省电力勘测设计研究院有限公司，吉林省 长春市 130022；4.内蒙古大唐国际新能源有限公司，内蒙古自治区 呼和浩特市 010050；5.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省 吉林市 132012)

0 引言

风能近20年有着长足的发展，作为清洁能源的主要来源[1]，风力机单机容量逐渐增大，目前国内已开展8 MW和10 MW海上风电试验样机的制造工作。

由于风电出力的不确定性对电力系统稳定运行有较大影响[2-5]，因此风力机主动偏航系统是大型兆瓦级风力发电机组提高风能利用率及保障机组安全的重要执行机构[6]。若风力机偏航控制系统及执行机构随风向变化而频繁动作，将会缩短偏航机构寿命，严重时会导致偏航系统失效，风力发电机组安全受到影响。随着弃风电量逐年降低，风力发电设备运行小时数也相应增加，风力发电机组设备故障率也随之提高。

为了保障机组的安全稳定运行，需要对风力机进行单机控制以满足风电场有功功率控制[7-9]。风力发电机组偏航控制应根据不同的风况，调整其自身的控制策略。本文整理总结了偏航控制研究现状及偏航控制策略，分析目前应用情况及存在的问题，指出控制策略的发展方向，可为优化风力机偏航控制提供借鉴。

1 风力机偏航系统控制现状

据统计，偏航系统故障发生频次为年均0.11次/台，平均排除故障耗时50.54 h[10]。偏航系统是风力机调整机舱位置的主动控制方法，安全可靠的偏航机构能有效提高发电效率[11]。因此，增强对风力机偏航系统有效控制，对减小偏航故障发生概率具有较强现实意义。

风力机偏航控制依据风力机数据采集与监视控制系统(supervisory control and data acquisition，SCADA)监测数据对偏航系统的偏航方向及偏航速率进行控制[12]，由于偏航策略不同，导致偏航次数、偏航方向及偏航速率等都不同。偏航系统具有3种基本功能，即90°侧风、解缆、自动对风。90°侧风是指当风力机需要进行功率及转速控制时，利用偏航系统使风力机不对风，进而使风力机转速及功率快速下降；解缆是指当电缆随风力发电机的转动产生扭转现象时，若不及时解缆，将产生故障停机；风力机偏航系统的自动对风是指使风力发电机组始终处于迎风状态，使风力机能充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率。风力机自动偏航是目前研究热点问题。

自动偏航过程是根据风力机空气动力学贝兹理论获得，风力机获得功率[13]为

式中：P为风力机发电功率；Cp为风力机功率系数；λ为叶尖速比；β为桨距角；ρ为空气密度；S为风力机扫风面积；v为测风塔风速；θ为偏航误差。

目前兆瓦级的风力机偏航控制仍然采用传统的偏航控制方法[14]。偏航控制系统根据偏航角误差及偏航延时时间，共同控制偏航速率，即控制公式(1)中θ使风力机发电功率达到最大。

2 风力机偏航基本控制策略

2.1 风力机偏航控制分类

风力机偏航控制可以分为偏航执行控制和偏航重启控制[13,15]，风力机偏航控制原理如图1所示。偏航执行控制是通过控制偏航电机执行策略，减少风向与机舱角度的偏差，主要控制偏航电机转速及偏航延时时间；偏航重启控制是对风系统只有当风况变化满足风力机预先设定的条件时才能重新启动偏航系统。

图1 偏航控制原理Fig. 1 Principle of Yaw control

2.2 风力机偏航执行策略

沈小军等[16]总结了风力发电机组对风策略及偏航系统执行对风策略，采用爬山算法[17]、V-HC(Vane-hill climbing)算法[18]、KHC 算法(Kalman and hill climbing)[19-20]、改进的随机粒子群算法[21]、模糊控制算法[22]等偏航系统控制策略，在一定程度上提高了风力发电机组的捕风性能。由于风向的精度对风力机偏航过程有重要作用，近年来基于风向预测的风力机偏航控制算法受到较多学者关注。风向对于功率来说也是较为重要的参数，风力机偏航系统先由风力机的风向标传感器采集风向变化的数据，再由偏航控制器执行该偏航动作需求。多数学者都是基于风力机SCADA历史数据进行风向预测及相应的偏航优化控制算法的设计，如表1所示。

表1 风力机偏航执行策略控制仿真算法Tab. 1 Simulation algorithms of yaw execution strategy control of wind turbine

杨茂等[23]提出了一种考虑风向因素的基于Copula 理论的风电功率不确定性预测方法，增加风向因素后显著提高了风电功率的预测结果。随着算法改进，风向预测[24-25]及偏航误差预测[26-28]精度提高，为风力发电机组偏航控制提供更精确的模型参考。Song等[26]采用风向预测对风力发电机组的偏航系统进行控制，以使风力发电机组得到最大功率输出。许炳坤[29]采用聚类算法和风向预测相结合的偏航策略，提高了对风精度。

由于风向对风力机尾流也有较大影响[30]，因此，基于风力机SCADA数据对风向进行矫正也非常重要[31]。可采用风速风向联合概率密度函数进行建模，同时分析4个季节风功率密度[32]。Ahmad等[33]利用优化偏航上游风力发电机来减少尾流效应，从而增加风电场发电的潜力。Dar等[34]利用偏航角和尾流偏转优化了Park和Jensen尾流模型，研究了诱导因子和偏航角的最佳值，使风力机在一个风电场中实现最大的总功率。

近些年，学者们对偏航系统优化和风力机其他设备(如变桨系统)的桨距角相结合的控制算法也逐渐开展了相关的研究[35-40]。Wen等[41]对海上漂浮式风力机的动态偏航过程中桨距角变化规律进行研究。Liao等[42]通过考虑风力机气动弹性特性和控制系统的影响对转子转速、风速、俯仰角、偏航角、方位角等参数变量进行研究，得到了约束条件，提出了一种改进的粒子群优化算法，对风力机载荷进行详细的分析。王欣等[43]通过分析风误差随风速的变化趋势，建立了不同风速段的偏航优化控制策略，以提升风力机发电量。

2.3 风力机偏航重启策略

陈思等[13]研究了偏航重启控制相关参数，建立偏航误差角度和偏航误差持续时间之间的关系，当偏航误差持续时间达到限定值时，触发偏航指令，按照预定的偏航速率(0.5°/s)进行偏航。

路宏[14]分析的工况是不同偏航延时时间从60～600 s以60 s间隔的6种限定值，偏航角阈值从4°～12°间隔为2°，从15°～25°间隔为5°，得出了2种参数下风力机功率损失率、偏航次数。根据分析的结果，以额定风速为界重新设计了不同风速区间下的偏航重启控制方案，给出了偏航角阈值、偏航持续时间、偏航次数的具体数值。

刘航[15]采用激光雷达对运达风电的风力机进行偏航重启策略的仿真研究，通过将风速进行分段控制，基于激光雷达的测量提前预测风向与机舱位置的偏差，达到阈值后进行偏航动作。

2.4 偏航控制系统研究现状

风电机组运维及机组提质增效是风电企业面临的重要问题，偏航优化有效决策能有效提高风电场整场功率[44]。但偏航控制系统目前都是沿用风力发电机组厂家的控制体系，针对偏航控制主要采用仿真研究，并未见到公开实际的案例。

近年来，研究转向风力机偏航系统结合风电场尾流效应，提高风电场整场功率的偏航控制算法。吴亚联等[45]根据风电场风力机SCADA数据对整场控制优化，对25台总容量为125 MW的风力机进行偏航优化，提高风电场发电功率。Majid等[46]通过实验研究发现：与完全无偏航条件相比，偏航角控制可使风电场的整体效率提高17%。但风电场整场的偏航优化仍未看到有大量的使用，后期可以针对风电场偏航控制算法的普适性及可靠性加以深入研究。Kuo等[47]采用随机搜索算法分析了39台风力机的偏航角优化过程，结果表明：随着风电场风机数量增加，偏航优化对风电场功率提升效果潜力显著增加。

大数据技术近年来在风力发电领域有较广泛应用[48-49]，Malik[50]采用小波变换、希尔伯特黄变换(Hilbert-Huang transform，HHT)和临近算法(K-nearest neighbor，KNN) 3种算法对风力机偏航故障及其健康状态进行分析。McKay等[51]对风电场风机SCADA数据采用组合灵敏度考虑多个变量相互的影响，因素包括桨距、偏航位置、主轴承和环境温度以及风速和偏航位置标准偏差，进而检测偏航等风力机子系统的健康状态。陈思等[13]采用粒子群和遗传算法相结合，优化风电场寿命周期中综合经济效益。高鑫[52]依据风力机运行数据相关性分析功率曲线和偏航误差的关系，推断风力机振动数据。

3 结论

偏航系统具有主动对风功能，对于提高整个风电机组风能的利用率具有十分重要的意义。偏航系统故障会不同程度地影响到风能的捕获，但若能控制较好，还能提高风电场整场发电量。通过整理近几年国内外的相关文献，对风力机控制策略现状及进行了详细总结。但偏航系统优化后应用于实际风力机和风电场中的研究鲜见报道，偏航系统控制策略主要用于控制单风力机的偏航角，以使风力机达到精准对风。若能将风向、风速和风功率同时预测控制相结合，对风电场中全体风力机进行协同偏航控制，则可以减少风力机偏航故障的同时使风电场全场功率大幅提升。