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如何优化和提升风电机组控制系统

 

风力发电机组的控制策略在不断发展中，本方案结合目前行业的先进技术经验，将人工智能、自适应运行策略、场群交互、尾流控制等先进技术加入到原风机控制中，使风机在具备一定感知能力的基础上，能够学习、决策、执行以适应环境的变化，调节自身的控制参数和策略，无须人为干预。

 

机组在运行过程中面临的外界环境不断变化，不同的机型在不同的风场及不同季节时期，机组的运行情况各不相同，采用传统的控制策略，忽略风机实际运行特点，多数机组会处于出力不佳状态并承受更为严峻的外部载荷冲击。

 

基于先进的控制平台和智能技术，针对不同风况环境，不同机位地形等实际情况提出一系列智能策略，实现定制化精准控制，最大程度增加机组的发电性能，提升发电利润和收益率。

 
- 技术方案 -
 
◆ 场群控制系统
场群控制系统主要体现在机组互联互通，人机交流，结合高速的传输通讯系统以及人工智能算法进行场群控制。机组之间可互通传感器信号，实现冗余控制；可互相交流机组健康状态信息。通常，需要搭载一套工控机作为全场中枢大脑，作为数据传输的桥梁和数据分析、支配的平台。
 
 
明阳场群控制系统通过 Real-time 技术将大量成熟的 IT 技术应用于工业控制系统，实时以太网可以实现 IO 级实时通讯。场群控制硬件基础，实现机组信息共享（风速，温度等），参数下发，精细化功率分配调整控制，最快通讯速率可达到 1ms.
 
 
▪ 每台机组均能自动感知自身及周围“伙伴”地理信息；
 
▪ 每台机组均能随时获取周围“伙伴”关键数据信息（如风速、风向、有功功率、无功功率、发电机转速、户外温度等）；
 
▪ 设备故障时寻求“外援”实现故障穿越，如外部传感器故障时利用“伙伴”传感器冗余接入感知；
 
▪ 突破 SCADA 系统秒级限制实现毫秒级场级协同控制，寻求更高层级场级有功、降载、电量收益最优控制。
 
 
◆ 尾流控制
由于受到风场选址范围等因素影响，机位排布间距相对较窄时，尾流效应会愈加明显：下游机组将面临更大强度的湍流，以及整体平均风速的降低。因此，需要根据整个风场的排布及每台机组精细的定位系统，从而进行全局控制。
 
 
明阳尾流控制系统开发实时尾流经验计算模型，可搭载在工控机上面实时模拟全场的尾流情况，从而进行主动尾流控制：上游机组偏航非对风及降功率收桨控制，整合全程风能资源，保证全场最大发电量。
 
 
◆ 智能控制系统
明阳智能控制系统采用智能机器人领域的人工智能算法，使机组的算法智能程度提高。能够根据环境变化或者前期风资源条件的输入，自行进行控制策略及参数的定制化选择优化，提升鲁棒性能，从而真正意义上的脱离人为干预，实现自主控制。
 
▪ 智能偏航校正控制系统
利用采集到的机组出力（发电机功率）、风速和风向数据，采用散点拟合算法和函数求导的算法求解最高功率点对应的偏航误差角度，进行机组出力与风向的匹配程度推演，进而确认偏航误差校正角度及在线自动实现。
 
 
▪ 软切出控制算法
软切出控制是在保证机组的载荷在设计包络范围内，在超出设计切出风速的风速段采用降转速和限功率运行。某风电场机组应用软切出策略的实际功率散点图，通过软切出的功率曲线和现场的风频分布，评估年发电量提升近 1.15%。
 
 
▪ 大部件载荷疲劳损伤计算及动态功率调度
风电场内机组设计采用的风资源参数通常是包络住最为恶劣的机组，即存在多数机组风资源较为温和的，其实际累计损伤较小，属于健壮群体。现场实际运行中，机组面临的风资源与设计参数也会存在差异。
 
明阳载荷实时测试系统可以有效监测每台机组的大部件，如叶片，轮毂，塔架的寿命，从而更为智慧指导机组功率动态调整。
 
对于健康状态良好的机组，在确保机组可靠性和关键部件寿命安全的情况下，通过柔性功率动态控制实现寿命调度，充分挖掘其自身发电能力，保障风电场全生命周期的经济效益最优。
 
 
▪ 健康度评估及亚健康运行模式
利用大量的监测数据定义合理的健康指标，深入挖掘对多个相关变量参数进行综合分析，并由此建立起各关键部件及风电机组整体健康度评估模型，实现风电机组在线健康度评估。
 
通过系统关键子系统部件评估，建立相应监测内容及其健康度监测方法，将风电机组运行健康评判指标分为齿轮箱、发电机等 10 大类，并根据其自身特性，组成来确定监测部件，根据其运行的可达性制定相应的监测方法，进一步降低风电机组故障率，提高项目运行收益。
 
 
◆ 虚拟激光雷达区域化控制系统
机舱式激光雷达产品，由于具备测量上风向前置风速、风向等功能，因此通过额定风速以上前馈控制以及偏航风向校正等功能的实现，达到降低并网发电模式下发电机转速波动幅度、降低塔筒前后方向疲劳载荷以及重量、减少变桨执行机构动作、提升发电量等效果。
 
采用虚拟激光雷达区域化控制系统，通过大幅度减少风电场激光雷达产品配置的数量，来降低激光雷达产品硬件投入成本；同时可训练得出准确的虚拟激光雷达模型，实现各机组的提效、降载作用。
 
虚拟激光雷达区域化控制系统应用主要体现在两个方面：额定风速以下风机变速运行区间即最优增益控制段，以神经网络训练风速作为风速测量值，构建叶尖速比闭环控制回路。
 
 
- 提升效果 -
 
综上所述，通过模型仿真验算以及现场实验对比效果，风电场采用场群控制、尾流控制、智能控制算法、虚拟激光雷达区域控制技术改造方案，可保证整场平均提效比例达4-5%。