风电机组偏航静态偏差对发电性能的影响及优化方法

性能的影响及优化方法杨伟新】・2,宋鹏“，陈雷3,郭鹏4,崔阳1,2,李肖刚5(1•华北电力科学研究院有限责任公司国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京100045 ； 2•风光储并网

运行技术国家电网公司重点实验室，寸匕京100045； 3.鲁能新能源(集团)有限公司河北分公司，河北张家口

075000； 4.华北电力大学控制与讨算机工程学院，寸涼102206； 5.中国铁删学研究院集团有限公司标准

计量研究所，北京100081)

摘要：风电机组的偏航误差主要由偏航控制性能误差和偏航静态偏差决定。文章分析了风电机组偏航静态 偏差产生因素及对发电性能的影响，提出了应用机舱式激光雷达测风仪开展实测的偏航静态偏差优化方法,

了基卅臓翊分和风速区段划分的优化模型。融实例分析可知，融静态偏差在低段和高风 速段对风电机组发电性能影响的敏感度较低冲风速段敏感度最高。文章所提方法可明显减小偏航静态偏差,

提高发电豳的发电性能。关键词：偏航静态偏差；偏航控制性能谋差；风电机组；偏航系统；偏航误差中图分类号：TK614 文献标志码：A 文章编号：］671-5292(2020)05-0680-050引言偏航系统是实现风电机组快速精准有效对风 的执行机构，偏航控制系统性能直接决定着风电

航系统额外的机械磨损机组可靠性下降叭对于

在运的风电机组,由于受机组硬件、载荷设计等方 面的影响，智能仿真算法难以适用。机组的安全性和经济性叫目前，兆瓦级风电机组 多采用主动偏航控制策略，利用风向传感器和偏 航电机进行主动偏航控制，其中风向传感器位于

本文对产生偏航静态偏差因素进行了分析, 以机组发电性能为优化目标，应用机舱式激光雷

达测风仪，提出了一种开展现场实测的风电机组 偏航静林埶化雄，解决由棚静态偏差造 成的对晦度不高的问题。实现风电风向

下风向，其测量值受叶片尾流、传感器误差、安装 等因素影响，使偏航控制系统产生偏航静态偏差。

同时,偏航控制性能产生了偏航控制性能磁，使 风向与机舱轴线产生偏航误差，偏航误差会引起 机组输出有功功率减小叫导致风电机组发电性 能的损失，且对机组的载荷特性产生不利影响。的高效追踪，提高机组发电效率的同时保证机组 可靠性。1偏航误差产生的主要因素MW级风电机组主动偏航控制策略功能框图

如图1所示叫--------咖血酣度卜毗输入_保护放大亚

驱动机构

偏航电

机舱

目前，学者分别从动力学、控制际数据分

析等方面对风电am的磁控制策o；般行了 臟吧主要解决了偏航控制性能偏航误

差的影响，但对偏航静态偏差优化方面的研究较

少。文献［7］提出了一种基于功率检测的爬山算 法，该方法通过优化控制策略消除了由机舱风向 传感器、尾流等引起的偏航静态偏差，实现机组的

二

UU

凤机

有效对风,并应用仿真对算法的效果进行了验证。 此方法对工程的实际应用意义有限，如果控制参

图］偏航系统工作过程原理图Fig.l The working process schematic of the yaw system

数设置不当，容易导致偏航系统频繁转动,造成偏

由图1可知，偏航系统依据风向标测量的角收稿日期：2019-08-19.基金项耳:国家科技支撑计刘项目(2015BAA06B03)；国网冀北电力有限公司项目(52018K170006)。作者简介：杨伟新(1987・),男，硕士，高级I灌师，研究方向为新能源发电及并网。E-mail ： 18510511***********•680«杨伟新，等凤电机组偏航静态偏盖对发电性能的影响及优化方法度进行偏航，当风向标测量第据与来流风向不一 致时，将产生甌静态偏差,导致偏航控制性能变

差,机组出现偏航误差。随着风电设计水平和技术的日趋成熟，偏航 系统的控制讎对偏航雌的影响越来越小,而

偏航静态偏差成为影响偏航误差的主要因素。2偏航静态偏差及影响分析2.1偏航静态偏差的定义偏航误差主要受偏航控制性能误差和偏航静 态偏差影响，偏航系统的容错控制策略引起偏航 腿分布的跡不同，而晰静林昨响驱

魅分布礎风向测量值和实际来流风向的分 布偏置情况，如图2所示。Fig.2 Yaw static deviation由图2可知，当存在偏航静态偏差仇时，实

际偏航误差的分布位置为分布2,以仇为基线左 右分布,当極静林差消除后,偏航雌的分布 由分布2位置修正到分布1位置。风电机组同一

控制策略及参数，存在偏航静态偏差的分布2和 不存在偏航静态偏差时的偏航误差分布1形状, 分布鯉却存某机组同一时期同步采集的机舱后风向标和

激光雷达测量的偏航误差如图3所示。由图可知,

机舱后风向标测试的偏航误差以0。线为中心左 右分布,她不註偏航静林差。利用机舱式激

光雷达测风仪测量的机组实际偏航误差，约以10 。线为中心左右分布，偏航静态偏差约为10 %-20>Ot20叱。)(a)驰后量偏航魅-10 0 10 20 30⑹激光雷达测量偏航谋差 图3偏航谋差的实测数据

Fig.3 Measured data of yaw deviation angle经分析两组数据特征可知，仅通过风向标测 量rf观分麻法获取的偏航静态偏差。而 且大部分mm也不具备测量来流风数据的砂 如不通过实rai试，《&的偏航静态偏差她获 取而被忽略，导致偏航误差的分布整体偏移，机组

长时间处于无法准确对风的状态。2.2偏航静态偏差的影响因素偏航静态偏差的产生与风向标测量准确度密 切相关。影响风向标准确测量的原因均能产生偏

航静态偏差，所以风向标的安装精度、测量精度、

叶片紊流、甌他等均偏航静态偏差产生 影响冋巩2.3偏航静态偏差对发电性能影响特征分析

根据贝兹理论，风电机组捕获功率为P=*pSC护

(1)式中屮为风轮吸收的功率炉为空气密度;S为叶 轮扫掠面积;Cp为风能利用系数;。为风速。当风电机组存在偏航误差时，式⑴为

卩=碁pSC詞co昶 (2)式中:卩为存在偏航误差时风轮吸收的功率;。为

偏航误差。由式⑵可得,由于偏航題导致的功率损失 为P\"=P(1 -cos%) (3)由图3可知，机组由于存在静态偏差角，导致 偏航偏差角的分布整体右移，机组长时间处于偏

航状态无法准确对风，最大偏航误差约为15。。根 据式⑶计算,功率损失约为9.87%,但由于偏航

静态偏差的存在，最大偏航误差增大到约30。,功 率损失高达35%。偏航静态偏差的存在大大增加了偏航控制性

•681 ・可再圭能源2020,38(5)能误差对偏航误差的影响，使得偏航控制策略越 优化，机舱的偏航位置畴风向标测量数据越准

确。偏航静态偏差越大，则偏航误差越大,发电性 能损失越大。假设G为定值，根据式(1)可得启动风速和 额定风速之间的风电机组输出功率增量为

人圧丨(”+弩)；-3円盅 ⑷

式中:AP为风速增加山时的功率输出增量;班为

额定风速迅为额定功率。定义风电机组输出增长量损失在不同风速下 随单位风速变化、偏航控制性能感、偏航静态偏 差变化的敏感系数为仁X, AP[ l-cosAv3

(6)o+dg)1 人、式中:弘为偏航控制性能误差。将式(4)带入式(5)中,并假设”r=ll m/s,Pr=

2 000 kW,计算如5。时'随风速、偏航静态偏差

的变化曲线，如图4所示。由图4可知，风速大于7 m/s,偏航静态偏差

大于5。时,风速每增加]m/s,风电机组的功率损 失呈指数增长，对机组发电性能的影响较大。而当

风速融额定风速时，她输出功率保持在额定 值附近，受风速和偏航静态偏差的影响变小。某2MW机组偏航静态偏差分别设为2.5 °,

5。和10。时,该机组的启动风速为3 m/s,额定风

速为11 m/s,测试功率特性曲线如图5所示。由图

可知:风速在3~7 m/s时，机组的功率特性曲线受 偏航静态偏差的影响较小；风速在7~11 m/s时,

机组的功率特性曲线随偏航静态偏差的增大而明 显右移劣化，机组的输出功率受偏航静态偏差的

影响敏感度较高;风速大于11 m/s,机组输出额定 功率、输出功率受偏航静态偏差的影响很小。•682 -图5不同偏航静态偏差的功率特性曲线分析Fig.5 Analysis of power characteristic curves for different

yaw static deviations由以上分析可知，机组输出功率受偏航静态

偏差的影响在不同的风速下体现出敏感度不同的

特征,低风速段和高风速段敏感度较小，中风速段

敏感度较大。所以在对偏航系统进行优化时，应结 合偏航静态偏差对机组发电性能的影响特性,在

不同的风速段采用不同的优化策略。3基于实测的优化方法及实例分析风电机组机舱式激光雷达测风仪安装在机组

机舱上方，可精确测量多个水平方向的来流风数 据，由此可获得机组的机舱轴向方向与来流风的 偏差数据,即偏航误差。通过测试偏航误差的分布

趋势,计算痕的偏航静态偏差，并对其进行修正

补偿,优化机组的发电性能。为了减小分析结果的不确定性,从叶轮前

1D~4D(叶轮直径)，间隔0.5。，测量的风数据。在 进行偏航误差测量，卿集的来流风速和输

出的有功功率数据。根据偏航静态偏差对风电迪发电性能影响

的规律，同时考虑受偏航扇区的影响特征，建立优 化模型。3.1建立优化模型对偏航静辭差的最輔化目标是提升她 的发电量，但是影响机组发电量的因素较多。当采 用实测的方法进行优化时，优化前后采集数据的

时间段不同，可能测试阶段的风资源情况或机组 故障次数不一致。如果直接以实际发电量为优化

目标，可能导致偏航静态偏差优化的精度降低，出 现过度修正或修正不足的情况。为剔除风资源、机 组可靠性等对发电量指标的影响，保证优化效果,

本文以评估的年发电量作为优化目标，即：(彎生)(6)杨伟新，等风电机组偏航静态偏差对发电性能的影响及优化方法F(卩)=l-exp -才(P) (7)式中-AEP为评估年发电量;M为年小时数,8 760

h；M为风速分区间个数;匕为第i个风速分区间

标准化的平均风速;R为第i个风速分区间标准

化的平均输出功率;F(U)为风速的瑞利累积概率

分布函数;为轮毂高度的年平均风速，分别取

4,5,6,7,8,9,10,11 m/s\"为风速。以年评估发电量最大为目标，建立优化模型 为max AEP^Oysd)s-t. 0嗣=%%(i J), ” (i J)], (71= 1,2,3)

e (15°xi,15°x(i+l)),(i=0,l,2........23)嗣 G)=0iG)；910(切)<”1,0嗣(：)=。2(：)； (8)02W”GJ),&嗣 G)=&3(i)式中：0嗣为偏航偏差补偿角度;仇为第n个风速 区段测试的偏航静态偏差;％ GJ)为测量的第i

个偏航扇区中第j个偏航位置角艸为启动风速；

”1低风速段阈值;”2为额定风速；”G J)为测量的

第i个偏航扇区的第j个风速数据。本优化模型将风速区段分为3段，低风速段、 中风速段和高风速段，根据偏航系统控制策略中 要求的风速阈值对风速段的阈值进行划分。在计

算偏航静态偏差时，应对风速区段分别进行十算。 采用激光测风仪得到偏航静态偏差后,在偏航控

制策略的偏航角度计算环节对偏差进行综合补 偿,对比优化前后机组的年评估发电量,最终确定

各偏航扇区、各风速段的偏航偏差补偿角度。3.2实例分析根据上述优化壮，对某2 MW机组开展了 偏航静瞬差测试及优化,她参数如表1所示。表1被测机组参数Table 1 Measured unit parameter项目参数额定功軌W2 000切入风逾3额定风逾m・「11风轮直g/m93轮毂高ffi/m80偏航控制策略主动对风测试前，根据标准IEC61400-12-1对测试机

组地形进行评估，考虑地形、障碍物以及其他风电

机组的影响,对机组偏航扇区进行了分组。本文以

机组的299~81。偏航扇区的数据为例，说明偏航 静态偏差优伽程。参期她偏航控制策略，那氐风速阈觥

为6 m/s,高风速阈值定为11 m/s。整个测试优化 过程分为3个阶段。第1阶段为偏航静态偏差测试，利用前文方

法,开展偏航静态偏差测试,同时统计机组的功率 特性曲线，估算机组存在偏航静态偏差时的

AEPO第2阶段为偏航静态偏差的初步优化，根据

第1阶段测试收集到的偏航误差数据，不考虑风 速区间因素，利用所有数据计算机组的综合偏航

静态偏差，然后在偏航控制策略的偏航角度说■算 环节对偏差进行综合不隠。此阶段根据测试进度

要求，建议采用分步补偿的方法开展优化,优化步 长可设置为2.5。，优化至AEP开始下降为止。通

过此阶段，可对机组在不同风速区间受偏航静态 偏差的影响敏感度进行分析，对风速分区间的阈

值进行验证，并将之前根据控制策略设定的6 m/s 修正至7 m/s。第3阶段为偏航静态偏差的再优

化，不同的风速区间对偏航静态偏差进行分别优 化，实现机组4EP最优。经过以上3个阶段优化测试及综合分析，最 终确定该2 MW机组299-81。偏航扇区的偏航静

态偏差补偿方案,3~7 m/s风速段的补偿角度为

11m/s风速段的补偿角度为9.6大于11

m/s的风速段补偿角为10.2。。偏航静态偏差木赠 前后的功率特性曲线对比如图6所示。图6偏航静态偏差补偿前后的功率特性曲线对比Fig.6 Comparison of power characteristic curves before and

after yaw static bias compensation由图6可知，补偿后机组的功率特性曲线明

显左移，优于机组的保证功率特性曲线。经计算, 机组的功率特性曲线保证率由96%优化至

103%。根据式⑹计算优化前后轮毂高度年平均

• 683 -可再圭能源分布分别为4,5,6,7,8,9,10,11 m/s时的年发电 量,优化后,年发电量最大可增发328 MW・h,提 升约6.6%。2020,38(5)[3] 鄂加强，陈燕，李振强，等.兆瓦级风力发电机组偏航

系统主动偏航特性分析[J].湖南大学学报(自然科学

版),2014,41(1):57-76.4结论风电机组的偏航静态偏差逐渐成为影响偏航 误差的主要因素,且相较于偏航控制性能误差,偏

[4] 王欣,吴根勇,潘东浩,等.基于运行数据的风电机组

偏航优化控制方法研究[J].可再生能源,2016,34(3)：

413-420.[5] 朴海国，王志新.风电机组偏航Fuzzy-PID合成控制系

统仿真[J].电工技术学报,2009,24⑶：183-18&航静跡差更易于利用工程手段进行优化。考虑 偏航静态偏差影响因素和对发电性能的影响规

[6] 高文元，井明波,董立志.带有扰动观测器的双模分段

风电偏航控制[J].电网技术,2008,32( 13)： 80-83.律，本文提供了一种基于实测的偏航静态偏差评

估与优化方法。通过实例分析，测试机组存在约 [7] 邹强,刘波峰，彭镭，等.爬山算法在风力发电机组偏

航控制系统中的应用[J].电网技术,2010,34⑸：72-

10啲偏航静态偏差，优化后功率特性曲线保证

率提升约7%。本方法可操作性强、效果明显，适 合于在运风电场的机组发电性能优化提升。参考文献：76.[8] 成立峰.风力发电机组偏航系统误差与控制策略研究

[D].北京:华北电力大学,2017.[9] 张瞬德，高文元,马小英，等.风力发电机组偏航控制

系统优化及仿真[J].机械设计与制造,2010 ,(9):114-

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研究现状及展望[J].电工技术学报,2015,30(10)：

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and system[P].US: 20170198680,2017-07-13.出版社,2002.Influences of wind turbine yaw's static deviation on power generation performance and the optimization methodYang Weixin1,2, Song Peng1,2, Chen Lei3, Guo Peng4, Cui Yang1,2, Li Xiaogang5(1. North China Electric Power Research Institute Co.Ltd. State Gird Jibei Electric Power Co. Ltd. Research Institute,

Beijing 100045, China； 2.Grid -connected Operation Technology for Wind -Solar—Storage Hybrid System State Grid

Corporation Key Laboratory, Beijing 100045, China； 3. Luneng New Energy (Group) Co., Ltd Hebei Branch,

Zhangjiakou 075000, China； 4.School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China； 5. Standards & Metrology Research Institute of CARS, Beijing 100081, China)Abstract： The yaw error of a wind turbine is mainly decided by its yaw control performance error and

the static yaw deviation (SYD). Based on the analysis of the factors that cause SYD and the influence of

SYD on wind turbines^ power generation, a SYD optimization approach by using the measurement

results of a cabin type laser radar wind meterthe is proposed, and an optimization model based on yaw

sector division and wind speed sector division is established as well・ Via the case analysis, it can be seen that the SYD has low sensitivity to wind turbinesx generation performance while the wind speed is

too low or too high, and the sensitivity would be higher for a middle wind speed. Results show that the

static deviation o£ yaw can be obviously optimized by the proposed measurement method, and the power generation performance of wind turbines can also be largely improved.Key words： static yaw deviation； yaw control performance error； wind turbine; yaw control system； yaw error•684 -