孫棟健，馮 震，葉杭冶,2，任 靜

(1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，杭州 310012；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012)

0 引言

隨著風(fēng)電行業(yè)的迅猛發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。目前，應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)的SCADA 系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容主要包含風(fēng)電機(jī)組的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及風(fēng)速、風(fēng)向等測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，風(fēng)電場(chǎng)的SCADA 系統(tǒng)包括中央監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。中央監(jiān)控系統(tǒng)是指安裝在風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)，能夠?qū)︼L(fēng)電場(chǎng)中某個(gè)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控的軟、硬件系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是指部署在風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域運(yùn)營(yíng)總公司管理中心內(nèi)的，能對(duì)多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行集中監(jiān)控的遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)[1-2]。

SCADA 系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)管理的需求，該系統(tǒng)具有以下功能：1)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；2)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制；3)風(fēng)電場(chǎng)試運(yùn)行數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)、顯示；4)多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計(jì)；5)綜合報(bào)表功能等[3]。雖然SCADA 系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量巨大，但現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)SCADA 系統(tǒng)缺少結(jié)合風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理的功能，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商往往無法更進(jìn)一步地掌握風(fēng)電機(jī)組的性能信息。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)SCADA 系統(tǒng)布置圖Fig. 1 SCADA system layout of wind farm

本文針對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，在深入分析風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩控制的性能評(píng)估方法，并采用Bladed 軟件仿真與風(fēng)電場(chǎng)集群數(shù)據(jù)對(duì)比的方法，對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了分析與驗(yàn)證。

1 風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩控制原理

1.1 風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩控制的意義

Cp-λ曲線用于描述風(fēng)能利用系數(shù)Cp與風(fēng)輪葉尖速比λ之間的關(guān)系。每1 臺(tái)具有固定配置的風(fēng)電機(jī)組都有1 條反映其氣動(dòng)性能的特定Cp-λ曲線，該曲線反映了風(fēng)電機(jī)組在特定的風(fēng)速與轉(zhuǎn)速時(shí)捕獲風(fēng)能的能力。圖2 為典型的風(fēng)電機(jī)組Cp-λ曲線。

圖2 風(fēng)電機(jī)組Cp-λ 曲線Fig. 2 Cp-λ curve of wind turbine

由圖2 可以看出，任意一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組都存在一個(gè)最佳風(fēng)輪葉尖速比λopt，使風(fēng)電機(jī)組捕獲風(fēng)能的能力最強(qiáng)，即得到該風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)能捕獲系數(shù)Cp(max)。

風(fēng)輪葉尖速比λ可表示為：

式中，R為風(fēng)輪半徑；ωr為風(fēng)輪角速度；v為風(fēng)速；n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

由式(1)可知，當(dāng)風(fēng)速v改變時(shí)，只要通過調(diào)節(jié)風(fēng)輪角速度ωr，使其達(dá)到最佳風(fēng)輪角速度ωr(opt)，則風(fēng)輪葉尖速比λ保持在λopt不變，即可確保風(fēng)電機(jī)組具有最大風(fēng)能捕獲系數(shù)Cp(max)[4-6]。

因風(fēng)電機(jī)組中的風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)之間為剛性連接，因此，在實(shí)際應(yīng)用中通常是通過改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值來控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，從而使風(fēng)輪運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速上。一般將這種方法稱為“風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩控制”。

1.2 風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)

假設(shè)某個(gè)風(fēng)速條件下，存在最佳風(fēng)輪角速度ωr(opt)及風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)能捕獲系數(shù)Cp(max)時(shí)，則可以得到風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率Ew及風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩Tr，即：

式中，ρ為空氣密度；S為風(fēng)輪掃掠面積。

假定風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的變速比為N，則發(fā)電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωg(opt)可表示為：

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩Tg可表示為：

綜合式(1)～式(5)，可得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：

式中，Kopt為理論最優(yōu)轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)。

由式(6)可知，只要將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的值按照發(fā)電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速的平方來定，便能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制，使風(fēng)電機(jī)組跟蹤C(jī)p(max)。

圖3 變速風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線Fig. 3 Ratation speed-torque relationship curve of generator in variable speed wind turbine

1.3 變速風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩控制

圖3 為變速風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線[4]，該曲線包括風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)區(qū)(AB段)、Cp(max)跟蹤區(qū)(BC 段)、轉(zhuǎn)速恒定區(qū)(CD段)及風(fēng)電機(jī)組滿功率發(fā)電后的功率恒定區(qū)(EF段)。

在真實(shí)風(fēng)速情況下，風(fēng)電機(jī)組絕大部分時(shí)間都運(yùn)行在圖3 中BC 段所示的Cp(max)跟蹤區(qū)內(nèi)。此時(shí)，理論上，只需通過Kopt來確定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，便可控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速變化進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)節(jié)，確保風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)Cp始終保持在Cp(max)。

2 轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)的偏差對(duì)風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量的影響

轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)K是風(fēng)電機(jī)組的一個(gè)重要控制參數(shù)，本文利用Bladed 軟件建立了WD93-1500型1.5 MW 雙饋式風(fēng)電機(jī)組仿真模型，用于模擬相對(duì)于Kopt，K的偏差對(duì)風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量的影響。假設(shè)Kopt時(shí)風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量為100%，則不同年均風(fēng)速時(shí)，K的偏差對(duì)風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量的影響如圖4 所示。

圖4 K 的偏差對(duì)風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量的影響Fig. 4 Influence of torque gain coefficient deviation on annualpower generation of wind turbine

由圖4 可知，當(dāng)K的偏差絕對(duì)值為5%時(shí)，會(huì)使風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量損失約1%。但仿真結(jié)果與風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況間還是會(huì)存在差異，因此可通過風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際的轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)Ka，再與理論最優(yōu)轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)Kopt進(jìn)行比對(duì)，從而評(píng)判風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩控制性能。

3 轉(zhuǎn)矩控制性能對(duì)比分析方法

基于風(fēng)電場(chǎng)集群數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)矩控制性能對(duì)比分析方法的步驟主要為：1) 通過初始步驟應(yīng)用約束條件，對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除無效數(shù)據(jù)，得到有效的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)；2) 應(yīng)用分段式的機(jī)艙傳遞函數(shù)(Binned-NTF)校正采集數(shù)據(jù)[7]，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；3) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求得風(fēng)電機(jī)組Ka，再與Kopt進(jìn)行比對(duì)，得到風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩控制性能評(píng)估結(jié)果。

該評(píng)估方法的關(guān)鍵在于通過對(duì)SCADA 系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算獲得風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中有效的Ka值。該評(píng)估方法的流程如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)矩控制性能對(duì)比分析方法框圖Fig. 5 Block diagram of torque control performance comparative analysis method

3.1 數(shù)據(jù)采集

每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)均同步記錄在數(shù)據(jù)中心的SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過建立評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)，將SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的功率、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等相關(guān)評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總。評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)能夠存儲(chǔ)不低于168 h 連續(xù)測(cè)量時(shí)間的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率一般在4 s～10 min 之內(nèi)，且能夠覆蓋風(fēng)電機(jī)組的任意運(yùn)行狀態(tài)，包括風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)區(qū)、Cp(max)跟蹤區(qū)、轉(zhuǎn)速恒定區(qū)、功率恒定區(qū)這4 個(gè)運(yùn)行狀態(tài)區(qū)段。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過程包括數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)校正和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。因無效數(shù)據(jù)會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩控制性能的評(píng)估結(jié)果，所以需要根據(jù)GB/T 18710-2002 的要求并結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況，剔除風(fēng)電機(jī)組不工作或是測(cè)試系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的數(shù)據(jù)，確保使用的數(shù)據(jù)可以真實(shí)客觀地反映風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況。數(shù)據(jù)篩選方式主要有范圍檢驗(yàn)和趨勢(shì)檢驗(yàn)2 種，表1 為主要參數(shù)的合理范圍參考值。

表1 主要參數(shù)的合理范圍參考值Table 1 Reasonable range of main parameters

有效風(fēng)向數(shù)據(jù)在參考表1 的基礎(chǔ)上，還需要考慮當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向和風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際情況(比如風(fēng)電機(jī)組前方存在高聳障礙物)對(duì)評(píng)估真實(shí)性的影響。因此，可設(shè)定一個(gè)風(fēng)向的有效扇區(qū)，將有效扇區(qū)以外的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

3.3 數(shù)據(jù)擬合

基于最小二乘法的數(shù)據(jù)擬合是通過最小化誤差的平方和來尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。提取出經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后處于Cp(max)跟蹤區(qū)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg與轉(zhuǎn)矩Tg，經(jīng)過擬合計(jì)算，最終求得該風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而得到風(fēng)電機(jī)組的Ka[8]，其表達(dá)式為：

對(duì)比式(6)和式(7)可以發(fā)現(xiàn)，Ka與Kopt的求得方式一致。

3.4 數(shù)據(jù)評(píng)估

每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩控制部分的Cp(max)跟蹤區(qū)都有相對(duì)應(yīng)的Kopt[9]，通過式(6)，可得到Kopt的表達(dá)式為：

由式(8)可知，Kopt是由R、Cp(max)、λopt、N及ρ共同決定的。這些參數(shù)在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)完成后就已確定，因此Kopt為固定值。

通過將風(fēng)電機(jī)組的Ka與Kopt進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ka的偏差絕對(duì)值達(dá)到5%時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量損失了1%左右，因此需通過調(diào)整控制策略，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

4 案例分析

4.1 風(fēng)電場(chǎng)概述

某風(fēng)電場(chǎng)位于河北省張家口市，該風(fēng)電場(chǎng)所在地的地勢(shì)平緩、起伏較小，共安裝有66 臺(tái)WD93-1500 型1.5 MW 雙饋式風(fēng)電機(jī)組，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)相近。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，可得到該類型風(fēng)電機(jī)組的Kopt為1.02789×10-3。

4.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)本文第3 節(jié)中的方法對(duì)這些風(fēng)電機(jī)組2018 年的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與篩選后，選取了風(fēng)電場(chǎng)中平均可利用小時(shí)數(shù)最高的22#風(fēng)電機(jī)組，繪制其發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩散點(diǎn)圖，如圖6所示。從圖中可以看出，其數(shù)據(jù)分布與圖3 一致。

圖6 22#風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter diagram of rotation speed-torque of 22# wind turbine generator

根據(jù)第3.3 節(jié)中所描述的方法，將Cp(max)跟蹤區(qū)內(nèi)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終得到風(fēng)電機(jī)組的Ka。22#風(fēng)電機(jī)組中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的平方-轉(zhuǎn)矩關(guān)系擬合曲線如圖7 所示，經(jīng)擬合計(jì)算，得到Ka為1.01183×10-3。

4.3 數(shù)據(jù)對(duì)比

通過上述方法可獲得該風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)66 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的Ka。對(duì)66 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行同比，從中選取年均風(fēng)速與年可利用小時(shí)數(shù)相近的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行Ka與發(fā)電量的對(duì)比分析。經(jīng)過篩選，選取安裝于同一風(fēng)向扇區(qū)內(nèi)的8#、14#、27#、34#、41#共5 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行對(duì)比分析，表2 為5 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算結(jié)果。

由表2 可知，該扇區(qū)內(nèi)14#風(fēng)電機(jī)組所在位置的年均風(fēng)速最高，但由于該機(jī)組的Ka與Kopt存在較大偏差，導(dǎo)致其年發(fā)電量在扇區(qū)內(nèi)最低。由此可以說明，14#風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩控制性能較差，從而對(duì)該風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量造成了影響。因此，可以在風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行維護(hù)時(shí)，對(duì)其轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行調(diào)校，使其更好地捕獲風(fēng)能。

表2 8#、14#、27#、34#、41#風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比Table 2 Operation status of 8#、14#、27#、34#、41# wind turbines

5 結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制性能進(jìn)行了分析與研究，提出了基于SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的篩選與評(píng)估方法。張家口市某風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)用該方法進(jìn)行評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，該方法可有效地對(duì)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩控制性能進(jìn)行分析，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

通過采用該方法所得到的分析結(jié)果，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)及后續(xù)升級(jí)改造具有參考價(jià)值，對(duì)提升風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量具有重要意義。但該方法還存在一定缺陷，比如在設(shè)置Kopt時(shí)未考慮齒輪箱扭矩?fù)p失，進(jìn)而造成Kopt的設(shè)置存在偏大的可能性；此外，Kopt的設(shè)置與風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)?shù)氐目諝饷芏瘸杀壤P(guān)系，通常按照年均空氣密度進(jìn)行Kopt設(shè)置，未考慮季節(jié)溫度變化對(duì)空氣密度的影響，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組無法運(yùn)行在最佳狀態(tài)。后期將繼續(xù)針對(duì)以上問題進(jìn)行研究，希望進(jìn)一步完善該方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)SCADA 系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用。