摘要：风电机组运行状态在不同工况间随机频繁切换，各部件的疲劳强度和运行控制性能不可避免地随环境和时间的变化而逐渐下降，导致故障发生。作为保证风电机组准确对风的偏航系统是风电机组运行控制的主要执行单元，也是保障机组高效、可靠运行的关键部件。该系统的隐性故障如不能及时判别，继续运行会造成风电机组停机检修，甚至损坏，严重影响机组寿命。针对偏航系统隐性故障或异常状态感知的研究对机组经济运行、减少运维成本以及发电量的提升有重要意义。基于此，本篇文章对基于激光雷达测风仪的风电机组偏航优化控制方法进行研究，以供参考。

关键词：基于激光雷达测风仪;风电机组;偏航;优化控制方法

引言

风电机组的运行优化是提高风电机组运行效率和降低运行维护成本的有效手段，已成为众多风电研究专家的关注点。风电机组运行优化是利用系统的方法，从能量传递过程和辅助运行过程中探索提高机组能量转化，降低不必要的能量损失和降低设备冗余动作的优化决策过程。因为具有全流程分析设备运行状态，注重弱化不同机型和不同的外部环境对优化策略的限制，风电机组运行优化逐步成为风电机组状态监测和运行维护的主要环节。

1风力发电机组偏航控制过程简介

以国内某厂商风机为例。风机偏航系统由主控制系统控制，风机正常运行时，主控制系统根据风向控制偏航系统顺时针或逆时针偏航，保证风轮正对来风方向，提高风机发电效率。其偏航控制过程为：当风向发生变化风机需进行偏航时（以顺时针偏航为例），主控制系统控制偏航电机刹车松闸，偏航刹车夹钳制动压力全释放，主控系统发出顺时针偏航信号，KM2线圈得电，常开触点接通，偏航电机运行，当偏航至给定角度后，主控制系统发出相应的控制指令，偏航结束。KM2、KM3分别为顺时针和逆时针偏航控制继电器为互锁关系。

2偏航系统故障诱因分析

据有关调查显示，由于偏航故障导致的停机时间占总停机时间的13.3%，而偏航系统故障率占12.5%，风向传感器和偏航执行机构是偏航系统主要组成部分，因此本文主要针对这2个部分开展异常识别。偏航执行机构包括驱动电机、偏航传动及减速齿轮、偏航轴承、偏航制动器等。常见故障有：偏航位置及其传感器故障、偏航反馈丢失和偏航速度故障等。前述故障出现时SCADA系统失去正常电信号后会自动报警，可称之为显性故障。在跟风过程中，风向的高频变化会在传动齿轮上产生交变应力，造成齿轮磨损，从而影响风电机组的对风精度，SCADA系统对这种隐性故障是无法监测和报警的。启动偏航的控制信号由风向标发出，其测量精度决定偏航控制的效果。大部分风电场建在气候条件恶劣的地区，采用机械旋转方式来测量风向的风向标较易受风沙堵塞等原因造成磨损，使得风向测量精度降低;或在温度较低的情况下出现结冰，出现风向测量响应时间过长等异常行为。

3激光雷达测风仪的检测设置

IEC61400-12-1：2017规定测风塔距被测风机的距离要在2D-4D之间，D为叶轮直径。实测数据也表明在距风机距离小于2D范围内，风速、风向开始缓慢发生畸变随机选取不同风速下实测的叶轮前方不同距离处的偏航误差，同一时刻检测到的不同距离处的偏航误差规律的向一个方向变化，但是变化的方向不确定。这也直接反映出气流在接近叶轮时风向将发生畸变。测试结果也表明，风速在叶轮前方首先经历一个受压加速的过程，然后逐步降低，转折点随风速不同而略有变化。而风电机组在运行中，是要对正不受自身干扰的风的方向，才能保证机组的风能利用效率。要获得不被叶轮干扰的自由流的风速和风向，测试点要远离叶轮，符合IEC61400-12-1的规定。但是对于以优化机组的控制方式为目的检测，检测点越靠近风机，检测结果所需要的延时时间越小，有效性也越高。通过对大量检测数据进行分析发现，距离风机大于1.5D后，偏航误差值随距离变化趋缓，可以反应自然风向。另外，风电机组吸收的风能大部分集中在叶片3R/4以上的范围，在这个范围内的风速和风向是对机组的出力影响最大的。在设置激光雷达的测试距离和锥角时要尽量使检测点落在这个范围。本测试项目所用激光雷达的水平锥角为15°，垂直锥角为12.5°。所以，靠近叶轮的测试点的风向测量精度会有所降低。结合以上两点分析，本项目最终确定以200米处的偏航误差作为修正机舱偏航误差的参考值。在对每个检测位置的风向都有较高精度要求的应用中，建议激光测风仪不同距离用不同的锥角值。但需要注意，锥角过大影响风速的检测精度。

4误差校正交替控制策略的设计

4.1湍流风况下偏航风速区间划分

根据风向、风速与风机能量的关系，对偏航对风控制策略进行了改进，根据湍流风况的特点，将偏航对风分成小风偏航对风和大风偏航对风两种偏航控制策略。风速在6m/s以下为小风区间，在该区间风向变化比较大，根据这一特点，采用30s风向相对机舱角度，偏航启动对风阀值设置为16°，偏航停止对风阀值设置为2°左右。风速在7m/s以上为大风区间，该区间是风电机组主要发电区间，且在这个区间风向变化不会太大，根据这一特点，采用30s风向相对机舱角度，偏航启动对风误差阀值设置为8°，偏航停止对风阀值设置成2°左右。当风速超过了额定风速，风电机组已处于满发状态，风电机组与风向偏航误差角度将几乎影响不到风电机组发电量，但是会影响到机组的整机载荷。根据这一特点，采用30s风向相对机舱角度，偏航启动对风阀值设置为8°，偏航停止对风阀值设置为4°左右。风速在3m/s附近，风机从风中获得的能量较小，且风向不稳定、易发生较大变化，此时若偏航启动后30s平均风速降低到3m/s以下，会导致偏航马上结束，然后风速上升到3m/s以上，如果此时30s平均风向大于40°（立即启动偏航角度），偏航又会马上启动，如此往复，将会造成设备频繁启动，降低设备的可靠性及使用寿命。因此，需要优化低风速下允许偏航的判断条件，针对这一问题将在下文中进行详细分析。

4.2优化低风速对于偏航停止的影响

在小风情况，30s平均风向在3m/s附近不稳定时，若偏航启动后30s平均风速降低到3m/s以下会导致偏航马上结束，然后风速上升到3m/s以上，如果此时30s平均风向大于40°（立即启动偏航角度），偏航又会马上启动，如此往复。

结束语

测风仪是风电机组最重要的传感器之一，主控系统需要基于测风仪提供的风速、风向数据，对机组下达动作指令，而测风数据的准确性取决于测风仪的形式以及安装位置。本文借助软件，对激光雷达测风仪进行分析。虽然现场实测数据与仿真值有偏差，但是监测点湍流强度的相对大小是一致的，因而在新产品设计时可以参照本文所述方法，确定测仪的最优安装位置。

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