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摘要：偏航系统是风电机组的重要组成部分，其作用是当风向发生变化时，能够对准来流风向捕捉最大风能。偏航系统对于风电机组的发电性能以及安全性至关重要，但由于风电机组的测风装置都是安装在风机尾部，受风轮扰动及机舱外形的影响，不能准确测量风速与风向，偏航误差是现有传统技术不能解决的系统性问题。随着风电技术的快速发展，单机容量的规模不断增大，对在役风电机组提质增效的需求也越来越突出，风电机组偏航系统的误差作为一种常见的问题，已经被越来越多的风电机组生产商和风场运维商所重视。基于贝茨理论，本文提出了一种机组偏航校正以及测试的方案，并且对该方案进行了实地的测试，利用测风激光雷达对风电机组的偏航误差进行了测试分析，并给出了相关建议及结论。

关键词： 风电机组；偏航系统；偏航校正；提质增效

引言

随着可再生能源不断的发展，风力发电作为一种清洁能源在发电系统中正扮演着越来越重要的位置。根据全球风能委员会的最新数据[1]，2022年全球新增风电装机77.6GW，陆上风电共新增68.8GW，中国新增的陆上风电37.63GW，占到了全球新增的54.7%。风力发电市场不断的进步也伴随着技术的创新，更大容量更高轮毂高度的风电机组也不断被设计制造。

偏航系统是水平轴风力发电机组必不可少的组成系统之一，同时对于风电机组的发电性能以及安全性有着至关重要的作用，近年来，随着风力发电技术的快速发展，单机容量的规模不断增大，对在役风电机组提质增效的需求也越来越突出，风电机组偏航系统的误差作为一种常见的问题，已经被越来越多的风电机组生产商和风场运维商所重视。据统计，我国在运兆瓦级以下风电机组有11000余台，分别在1989年至2013年间投运，分布于22个省（市、自治区），总装机约8700MW。此外，还有部分投运超过10年、单机容量在1～1.3MW的非主流机组近千台，装机容量超1200MW[2]。

这些机组普遍存在发电能力差、故障率高、安全隐患多等问题，且部分备件为定制件或进口件，造成运维成本较高，电量损失严重。早期风电场风资源一般较好，随着风电机组技术更新换代，最新机组性能越来越好，如何利用风电技术进步成果，解决早期风电场面临的困境，以达到提质增效的目的，已成为行业关注的话题。

基于贝茨理论，本文提出了一种风电机组偏航校正以及测试的方案，并且对该方案进行了实地的测试，利用测风激光雷达对风电机组的偏航误差进行了测试分析，并给出了相关建议及结论。

1 偏航误差产生原因分析

1.1测风设备的安装误差：

由于大部分的风力发电机的风向标安装没有采用标定设备，通常可能会产生±2～10 °安装误差。

1.2风轮涡流的影响：

风的气流在通过转动的风轮后，会产生很多涡流，使安装在机舱后部的风向标测量不能准确地测量当时的瞬时风向，大部分的风机制造厂商在处理这些涡流时，都是将风向进行25秒至600秒的平均，以过滤掉涡流对风向测量的影响，但由于将平均值作为当前的瞬时值来控制风机的偏航动作，会造成一定的误差与风机偏航的离散性。

1.3旋转气流在机舱表面扰动引起的误差：

气流通过一个旋转机械时，在其后部会产生一个旋转的气流场，这个气流场在风机机舱表面运动时，会对机舱后部的风向仪产生一个偏转风向，造成风向测量偏差。这个偏差与风机所处的位置的地形、方位有关，所以在同一风电场中每一台风机的偏差都不一样。

2风电机组偏航校正分析方法

在理想的状况下，风电机组的风轮旋转平面应当与风向的夹角垂直，即风轮正对来风方向，此时能够捕获风能的效率最高。根据贝茨理论[3]，风电机组捕获的功率P表达式如下：

P = （ρCpAv3）/2，

式中P为风电机组捕获的功率，ρ为空气密度，A为风轮的扫风面积，Cp为风能利用系数，v为风速。

目前，风电机组偏航校正的常规方法是参照JB/T10425.2-2004《风力发电机组偏航系统第2部分：试验方法》[4]，对比罗盘的刻度线与风轮中轴线的夹角进行偏航校正。由于机组的塔筒、机架、轮毂等部件通常由铸铁类磁性材料制备而成，故利用该方法存在以下问题：（1）铸铁影响罗盘的正常使用，导致偏航校正效果较差；（2）由于基准问题，现场较难找到风轮的中轴线；（3）校正时需停机操作，影响机组的正常运行。故制订一套精度高、实施方便、不影响风电机组停机的偏航校正方法显得尤为重要。[5]

由风电机组偏航控制理论可知，当机舱正对来风，即机舱与风向夹角为0°时，机组功率曲线达到最优，由于风向是波动的，控制系统也允许对风短时间内存在一定偏差避免偏航系统频繁动作，这些客观条件表明，通过统计机舱与风向夹角、风速、功率三者之间的关系，可以判断机组是否存在偏航误差。

为了避免风电机组本身风速计和风向仪的测量误差，本测试选取了基于相干探测体制的多普勒机舱式激光测风雷达，该激光雷达采用相干探测体制基于激光多普勒频移的原理，实现由机舱顶端对机舱叶轮面前方几十到几百米风矢量场的精确测量。该激光雷达基本参数如表1所示。

激光测风雷达测风仪固定安装与风电机组组机舱顶端，与风电机水平中轴线平行的位置。激光雷达测风仪可以测量到排除风电机组尾流的准确风向数据，具体是激光雷达测风仪通过凝视扫描模式，观察风流体的湍流结构，同时利用多个光束几何扫描带即激光雷达测风区域来高分辨度的测量全面风向数据，排除风电机组尾流带来的影响。激光雷达安装如图1所示。

3实验背景及风电机组选择

本实验选取了广西桂冠电力股份有限公司山东分公司莱州风电场，位于山东半岛北部，北邻莱州湾和渤海湾，属暖温带大陆性气候区域，表现出一定程度的海洋气候特征，平均海拔在50米以下，地形属平原区，主导风向为南风和东南偏南。风电场测风塔65m高度年平均风速为6.7m/s，代表年主导风向为S，风功率密度为361W/㎡，年有效风速（3m/s～25m/s）时数为6990h，风能资源丰富。

广西桂冠电力股份有限公司山东分公司莱州风电场一、二期共计58台风机，一期安装20台金风GW83-1.1型和19台东汽FD77C型1.5MW风电机组；二期安装19台金风GW130-2500型发电机组，装机总容量为96MW，该风电场机型为国内主流双馈机型和直驱机型，带有自动偏航系统，能够根据风向自动确定机组的对风方向。当风向发生偏转时，控制系统根据风向标信号，通过偏航驱动装置使机舱主动对准风向。偏航系统在工作时带有阻尼控制，并采用优化偏航速度的设计，使机组偏航动作更加平稳。

风电机组选择上，通过该风场10分钟SCADA数据，绘制了每台机组偏航位置、风向与机舱夹角的散点图来分析机组的偏航动作范围；绘制了风向与机舱夹角、风速的散点图来分析机组在不同风速下的偏航控制策略。从风电机组偏航控制理论可知，当机舱正对来风，即机舱与风向夹角为0°时，机组功率曲线达到最优，由于风向是波动的，控制系统也允许对风短时间内存在一定偏差避免偏航系统频繁动作，这些客观条件表明，通过统计机舱与风向夹角、风速、功率三者之间的关系，可以判断机组是否存在偏航误差。通过SCADA数据，绘制每台机组风向与机舱夹角、风速、功率的图形，自动识别偏航误差。根据以上结果，最终选择了3台机组进行偏航校正测试，下文使用具有代表性的A34风机展开阐述。

4偏航校准测试与分析结果

以风速、有功功率、发电机转速、桨叶角度等作为限制条件，剔除A34风机故障停机、限电等非正常工况下的数据，得到有效数据，我们将在这些数据的基础上开展我们的分析工作。

首先，我们利用A34风机SCADA风速数据作为机舱风速和雷达风速数据作散点图，如图2所示：

由图2可知，机舱风速和雷达风速正相关，且相关性很强，这说明风机的风速仪和雷达均能正常工作，且机舱雷达能够用于风机风速仪和偏航误差的校准工作。

接着，我们利用利用A34风机SCADA风向数据作分布直方图，如图3所示：

从图3可以非常直观的看出，风机始终没有正对风，风机大概率与主风向相差-10°左右，我们认定风机的偏航误差为-10°左右。

然后，我们又利用A34风机SCADA风速与风向数据作出风速和偏航误差的的散点图和曲线图，如图4所示：

从图4不难发现在额定风速附近，偏航误差趋于收敛在-10°左右，而在低于或高于额定风速时趋于发散，由此也验证了之前得出的结论。

为了更精确的得到偏航误差，我们找出了风机在各个风速段的偏航误差（见表2），然后取均值，最终得出A34风机的偏航误差为-8.8°。

5结论

根据以上的测试数据与分析结果，我们又得到了其他几台风机的偏航误差（见表3）。

从以上分析方法可以看出，绝大多数风电机组均存在偏航误差的问题，这将直接影响风电机组的发电性能，建议风电场通过对风速仪、风向标，以及偏航控制系统进行检查和校正，以修复偏航系统误差所带来的发电量损失问题。

偏航系统是风电机组关键部件之一，偏航系统存在一定的误差角度会影响风电机组的发电量和风电机组的额外载荷增大，主要体现在塔架、主轴、偏航系统及桨叶载荷增加、风电机组寿命减少等，风力发电机组的偏航主要依据安装于机舱顶端的机械式风向仪采集点额数据来进行控制，此风向仪在工作期间难以避免的会受机组尾流影响而产生偏差。

通过激光雷达测风仪的数据收集，结合对风电机组的SCADA数据分析，可以对偏航系统的偏差进行校正测试和分析，并提出响应的整改意见进而提高发电量。

参考文献：

[1]GWEC.Global Wind Report 2021[EB/OL] .https：//gwec.net/global-wind-report-2021/，2021.

[2]能源杂志.全国能源信息平台[M].2020.7.24.

[3]BURTON T.风能技术[M ].北京科学出版社，2014.

[4]风力发电机组 偏航系统第2部分：试验方法：JB/T 10425.2-2004[S]

[5]张伟.风电机组偏航校正分析方法研究.华电技术[M].2017.04

[6]牧镭激光.MOLAS NL机舱式测风激光雷达产品信息手册[M]．V1.4.4

作者简介：周永新（1987年-）；性别：男；职称：工程师；工作单位：广西桂冠电力股份有限公司山东分公司；从事新能源工作近15年，对风电场的运行管理、设备管理、安全管理具有一定的经验。