一种基于SCADA数据的大型风力发电机组偏航对风性能分析方法

杨超，叶小广，刘庆超

（1.华电福新能源股份有限公司云南分公司，云南昆明650228；2.华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

一种基于SCADA数据的大型风力发电机组偏航对风性能分析方法

杨超1，叶小广2，刘庆超2

（1.华电福新能源股份有限公司云南分公司，云南昆明650228；2.华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

偏航系统是大型风力发电机组的重要组成部分，它保证机组正确对风以捕获尽可能多的风能。在机组正常运行中，偏航系统的对风性能有较大差异，难以评估。针对这一问题，提出了一种基于机组SCADA数据的偏航系统性能分析方法，使用机组对风角度的平均值与标准差来衡量偏航系统性能。实际结果表明，该方法可以有效表征偏航系统性能，从而提高风电场的运维水平。

风力发电机组；对风角度；平均值；标准差

0 引言

随着日益增高的能源成本与环保压力，风力发电在当今的能源领域扮演着越来越重要的地位[1-2]。当前的大型风力发电机一般采用主动偏航形式，即机舱位置主动改变以跟踪变化的风向，从而保证能够维持最大的捕风能力。

其偏航系统主要包括偏航电机、制动系统、控制系统等[3]。偏航对风性能主要受其控制系统影响，大多数的偏航系统依靠风向标角度即机组当前的对风角度对机舱位置进行控制[4]。实际应用中，由于风向变化较快，机舱位置不可能实时的追踪风向变化，机组的偏航控制受风向角度设置与偏航延迟时间的影响[5]，相同的控制策略在不同风况下的效果不尽相同。

对机组偏航对风能力的正确、全面的分析有助于对机组进行有效监测，及时发现偏航对风的问题，具有重大意义。目前一般认为对风角度保持在一定的范围之内时机组偏航即为正常，例如±15°。然而，这种分析方法较为简单，对整体机组偏航对风性能优劣的代表能力有限，急需一种有效的方法对机组偏航对风性能进行更全面的分析。

本文提出一种基于SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)数据的大型风力发电机组偏航对风性能分析方法，通过对机组一段时间内的对风角度进行统计分析，利用平均值与标准差对机组的对风性能进行描述，不仅可以准确表述机组在长时间运行下是否保持在风向扇面正中，同时可以反映对风角度的离散程度。将此方法应用在风力发电机组在线监测方面，可以有效分析机组偏航对风性能，为故障诊断与性能分析等提供了新手段。

1 偏航控制算法与现行对风性能分析方法

目前主流的偏航控制技术大多为基于风向传感器（风向标）的控制方法，也称V-C控制，通过安装在机舱尾部的下风向的风向仪检测风向，风向仪一般采用机械式或超声波式等风向传感器，主控制系统以一定采样频率对传感器输出进行采集并储存。偏航控制器通过对一段时间内的对风角度监测，以决定偏航电机、偏航刹车系统是否动作完成机舱偏航。其控制流程如图1所示。

在对偏航对风性能分析时，通过对机组在长时间运行下的对风角度进行分析，如图2所示。

图1 偏航控制流程图

由图中可以看出，该机组的对风角度主要保持在±10°之间，然而并无法知道该机组机舱位置位于风向扇区的具体位置，也无法对对风角度的分布有直观印象。

图2 机组对风角度

2 基于SACADA数据的偏航对风性能分析方法

2.1 统计方法

应用对机组一段运行时间内对风角度的平均值统计对机舱位于风向扇区的位置进行表征，平均值偏离0°越大，表明机舱离中心位置越远，偏航对风性能也就越差。平均值的计算方法为：

式中Degavr—对风角度平均值，°；

Degi—第i个对风角度采样数值，°；

N—统计时间内的对风角度采样个数。

应用对机组一段运行时间内对风角度的标准差统计对机组对风角度的离散程度进行表征，标准差越大，表明机舱对风角度的离散程度越大，对风角度的极大值较大同时较大的对风角度情况也越多，偏航对风性能也就越差。标准差的计算方法为：

式中Degstd—对风角度标准差，°。

2.2 案例分析

以下对云南某风电场全场33台机组进行偏航性能分析。该风场为山地风场，地形较为复杂，机组采用国内某风机厂家1.5MW三叶片主动对风机组，采用机组30S数据间隔的对风角度平均值进行分析，分析结果如图3所示。

图3 云南某风场机组偏航对风性能分析结果

通过分析，将平均值的绝对值位于（0，1）区间内的机组认定为正常机组，将平均值的绝对值位于（1，2）区间内的机组认定为较差机组，将平均值的绝对值位于（2，+∞）区间内的机组认定为异常机组，可以将风场机组做以下区分：

表1 机组对风角度平均值统计情况

图4 5号机组偏航运行情况

由结果可以看出，7号、12机组号偏航对风性能异常，通过与现场沟通，两台异常机组由于振动较大，经常出现手动偏航情况。9号机组开始显现与7号、12号类似现象。4号、5号、10号、11号机组现场风况较为复杂，同时也出现短时偏航异常现象，影响了机组整体的偏航对风性能，以5号机组为例：

图5中，浅色线线为各个风速区间对风角度标准差，黑线表示各个风速区间对风角度的平均值。可以看出，5号机组存在大量非常规的对风角度散点。

同时，可以看出，对风角度平均值的绝对值区间位于（0，1）之间的机组，标准差基本小于10，随着平均值绝对值的增大，标准差也有所增大。由此可以看出，该风场存在对风性能较差与异常机组，该部分机组对风角度的离散程度也较高，急需对偏航系统进行整改。

3 结语

风力发电机组优秀的偏航对风能力可以提升机组的风能捕获能力，同时保证机组健康稳定的运行。本文提出了一种基于SCADA数据的大型风力发电机组偏航对风性能分析方法，通过统计机组对风角度的平均值与标准差，完成对机组偏航性能的分析与表述。

通过云南某山地风场的分析结果表明，该方法可以完成对机组偏航对风性能的分析，为风力发电机组的状态检测、故障诊断提供了新方法。

[1] 陈雷.大型风力发电机组技术发展趋势[J].可再生能源，2003，（1）：27-30.

[2] 钟伟强.国内外风力发电的概况[J].风机技术,2005，(5)：44-46.

[3] 杨志军.风力发电机组的结构简介[J].风机技术，2009，（3）：35-36.

[4] 陈亮,谭伟,田天.风力发电机组偏航控制研究[J].风机技术，2013，（02）：64-68.

[5] 汪萍萍.风力发电机组偏航控制系统的设计与研究[D].新疆农业大学，2012.

修回日期：2016-12-02

An Analysis Method of Yaw System Performance for Large Scale Wind Turbine Based on SCADA System

YANG Chao1，YE Xiao-guang2，LIU Qing-chao2
（1.Yunnan Huadian New Energry Co.,Ltd，Kunming 650228，China；2.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Yaw system is an important part of large-scale wind turbine, it guarantees the wind turbine properly to the wind to capture as much wind as possible. In the normal operation of unit, yaw system performance is different and difficult to assess. Aiming at this problem, this paper proposes a yaw system performance analysis method based on SCADA system. We use the mean value and standard deviation of vane direction to measure the yaw system performance. Actual results show that the proposed method can effectively characterize the yaw system performance, so as to improve the operational level of wind farms.

wind turbine；vane direction；mean value；standard deviation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.005

TM315

B

2095-3429（2016）06-0019-03

杨超（1977-），男，云南保山人，工程师，从事风机故障诊断与排查方面的研究工作。

2016-06-20