风电机组静态偏航误差的分析与研究 口岳红轩 口许明 口卢晓光 许昌许继风电科技有限公司 河南许昌４６１０００ 摘要：静态偏航误差普遍存在于风电机组的偏航控制中，为了研究风电机组的静态偏航误差，对 偏航误差产生的原因和对功率的影响进行了分析。利用机舱式激光雷达测风仪对风电机组的静态偏航 误差进行校正，通过修正主控系统的风向补偿因数，改变主控系统采集的风向角度。对比风向补偿因数 修正前后的静态偏航误差变化趋势，验证了利用激光雷达测风仪进行静态偏航误差校正的正确性。 关键词：风电机组偏航控制静态偏航误差 中图分类号：ＴＨ７６５．４；ＴＭ３１５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２０１７）０２—００７３—０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｔｉｃ ｙａｗ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｐｒｅｖａｌｅｎｔ ｉｎ ｙａｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｙａｗ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ，ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｙａｗ ｅｒｒｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｐｏｗｅｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ。．Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｙａｗ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｗａｓ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｎａｃｅｌｌｅ—ｔｙｐｅ ＬＩＤＡＲ．Ｂｙ ｍｏｄｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｓｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ。ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｍｏｄｉｉｆｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｙａｗ ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｂｙ ＬＩＤＡＲ ａｎｅｍｏｓｃｏｐｅ ｗａｓ ｖｅｒｉｉｅｄ ｂｙ ｆｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｙａｗ ｅｒｒｏｒ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｙａｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔａｔｉｃ Ｙａｗ Ｅｒｒｏｒ 偏航是风电机组运行中不可缺少的一个环节，偏 偏航误差与功率损失的关系如图１所示。通过式 （２）的理论分析，可以看出风电机组的功率损失与偏航 航系统针对风向进行调节，使风轮最大程度保持迎风 状态，从而最大程度捕获风能，并有效保护风电机组。 由于风的随机性，风向经常发生变化，如果风轮的扫掠 误差余弦的３次方成正比，为非线性变化。当偏航误差 为５。时，功率损失为１．１３７％；当偏航误差为１０。时，功 率损失为４．４８８％；当偏航误差为１５。时，功率损失为 面与风向不垂直，不但影响功率输出，还会增加机组的 承受载荷Ⅲ。偏航系统的功能是跟踪风向的变化，驱动 机舱旋转，尽量保证风轮旋转面与风向保持垂直状态。 风电机组的风速风向仪安装在风轮后方．不能准确测 量风向，风轮不能完全对风，从而影响机组的功率输 出。增加机组的额外载荷 ２】。 １ 偏航误差对功率的影响分析 偏航误差为风机偏航角度的角位移［３ ３。假设机组 偏航误差为Ｏ，风电机组的功率表达式为： 尸ｌ＿ｌｐＳＣｐｖ３ 式中：尸为风电机组的功率；ｐ为空气密度；Ｓ为风轮的 扫掠面积；Ｃ 为风能利用因数； 为风速。 在Ｂｌａｄｅ软件中对不同风向偏差下的稳态风和湍 流风功率进行比较，得到不同偏航误差下的功率损失。 在稳态风下，偏航误差与功率损失之间的关系如 图２所示。在湍流风下，偏航误差与功率损失之间的 （２） 当风机存在偏航误差时，偏航风速Ｕｐ ｃｏｓ ，Ｏ／为 偏航误差，代入式（１）得： Ｊｓｃ ０ｓ］ 关系如图３所示。 收稿日期：２０１６年８月 由图２、图３可以看出，功率损失的仿真值和理论 机械制造５５卷第６３ｏ期 ２０１７／２回 Ａ：．盟 式中： 为风轮的旋转角速度：ｒ为风轮半径。 （４） 根据动量一叶素理论，推力和扭矩的表达式为： ： —Ｃｌｃｏｓｑｂ－Ｃｄｓｉｎ￣ｂ 一１－ａ ８＂ｒｒｒ ｌ＋ａ：ｓｉｎ２６ （５） 、 熹 ｓ８１Ｔｒ ｉｎ（／）ｃ ｏｓ＆ （、 ６） 值存在一定的差别。 ２偏航误差原因分析 偏航误差为风机偏航角度的角位移，偏航误差产 生的原因分为两种：一种为风向仪对风角度的误差， 称为静态偏航误差：另一种为偏航控制策略不能实 时跟踪风向变化而产生的误差．称为偏航控制策略误 差［ 。 ２．１ 偏航控制策略误差 风向是不断变化的，偏航系统设计时要保证风轮 始终保持在迎风状态，但当风向在瞬间变化时，风电机 组由于惯性和偏航速度限制。就难以跟上风向的变 化 ］。基于此，风电机组会在一定的风向偏差内不进 行偏航控制，由此就产生了偏航误差。可以通过优化 偏航控制策略将误差控制在一定范围内，但不能消除。 ２－２静态偏航误差 由于风电机组的风速风向仪安装在机舱上，受风 轮转动产生的尾流影响，实际的风向与机舱上风向仪 测量的方向也存在偏差＿７］。 根据动量一叶素理论求取轴向和切向诱导因子， 然后根据三角函数关系，修正风向仪测量的风向Ｉｓ／。 根据动量一叶素理论，风能利用的微元量为： ｄＣｐ＝ｄＰ／［— １ 。ｄＳ）］＝４（１－ａ）ａ Ａ （３） 二 式中：ａ为风轮处的轴向速度诱导因子；ａ 为切向速度 诱导因子；Ａ为叶尖速比。 叶尖速比由下式计算： Ｉ７４Ｉ ２０１７／２ 式中：ｚ为叶片翼型弦长； 为风向人流角；ｎ为叶片数 量；Ｃ 为升力因数；Ｃ 为阻力因数。 人流角的计算表达式为： ｔａｎ咖＝器 ＝ １ （７） 将式（５）与式（６）两式相除，并且忽略叶片的阻力 因数，即Ｃ ＝０，可以得到： ： ａ （１—０）ｔａｎ （８） 将式（７）代人式（８），可以得到： 口 （１＋口）Ａ ＝口（１一，上） （９） 设置轴向速度诱导因子ａ和切向速度诱导因子ａ 的初始值，代入式（９）进行迭代计算，可以得到最终的 轴向和切向速度诱导因子。 由风轮旋转产生的风向测量偏差０如图４所示． 其表达式为： Ｏ＝ａｒｃｔａｎ（ａ ） （１０） 由图４可以看出，风向仪测得的风向较真实角度 变小了嘲．所以需要在风向实际测量值的基础上加上 由于风轮旋转所导致的风向测量偏差０。然后作为最 终的偏航误差。 以上方法仅为一种简化的静态计算分析。实际运 行中风轮旋转的流体变化更加复杂，计算也更加困难， 需要借助试验进行确定。 ３静态偏航误差的消除 通过上文分析可知，由于风轮旋转对风向有影响， 因此在当前的程序中对风向进行相应的补偿。风向补 偿角 为计算表达式： ＊／［￣ＪＮ ｓｓ卷第６３０期 ０Ｉ．＝ ｌ …． （１ Ｉ） 』ｌ＝ｒｔ ：“勾 ＩｈＪ补偿Ｉ 数； 为发电机组转速 …补偿 数为０．００５ ６、发电机转速为ｌ ８００ ｒ／ｍｉ１１ Ｉ１，１，ｊｘｌ向补偿角 １０。 通过×・，风…仪采集的 数 进行补偿后．ｆ ｒ以 淌除静念偏 ｉ 路．ｆＩＩ 行能够 个＝消除静态偏航误 舡． 通过 场洲试进ｉ 验证 ４静态偏航误差现场测试 ｆ］ｌ】ｉ』， 般果川发装测风塔的力 进ｉ 风速ｆＩＩ风 洲 ，然 ”饥绀的Ｊ力牢ＩＩｌＩ线进行校核 ｍ于测Ｊｘ【 塔足 定发装的．九法挟 轮 力‘的风向与机绀 偏航 的偏堆． 此无法进行静态偏航 差的测 ｛ｌ … 风【Ｕ机纰ｆＪＬ舱武激此饼达测 仪 奠装 电 机 饥舱Ｉ 力‘，准确洲 ｆ乜机组 方的水平风速干¨ 向 埘过‘ｊ 电机，，ｆ【Ｉ 安 的风述 向仪测量的数 拟 进ｉ彳刈比．１ＩＪ‘以Ｘ，￣ＪＬ绀的静念偏航 筹进行划断和 分析川叫‘．激光甫达测 仪也可以ＪＨ丁机 的控制 芭嚣綦ｊ Ｊｘ【电机 机舱』ｌ＝激光 达测风仪．埘风Ｉ 机 的静怠偏航 进仃测试ｆ¨研究 ｊ ｆＪ【舱 激光 ｒ ｒ．达洲 仪， 电场巾选戢・ 俞样机进 静怠偏航 差的洲试，汁算激比甫达洲 仪的 数 ｆｌｌ上控系统数 果集补偿 的风…数 ｊ１ Ｉ，埘机引ｉ Ｉｊ，Ｊ 仔 的静态偏帆 进行判断 ５初始静态偏航误差分析 风 补偿』）－１数 仞始ｆｆｆ ０．００５ ６的情况下， 】 激光卅达测 仪ｆ¨ 控系统采集的数 进行分析， 忽略』Ｃ它 芹 激光 达测』 仪洲 的风ｍ和主控系 统采鬟补偿 ｎ勺 向刈‘比如卜 ５．１ 激光雷达测风仪数据 激 ｊ ０ Ｊ扎仪： 集的ＪｘＬ述币ｌＩ Ｊ Ｉ向 ３０ ｓ Ｉ～的 ．Ｉ 均ｆ＾“女 ・ 分 ｊ＆［】ｆ零１ ５所，Ｊ： 激 。 洲 仪采集的 Ｌ向数 性状分布＿受ｌ１ ６ 机械制造５５卷第６３０期 』听７ ５．２主控系统采集数据 控系统采集补偿 风向和风速 ３０ ｓ Ｉ－ｑ平均 值散点分布如 ７所示 主控系统采集补偿后风向数据往状分布女¨ ８所 ，Ｊ≮ 通过 ５～冈８数据对比和分折ｎ丁以吞 控系 统采集补偿 的Ｊｘ【 父于风向０。ｘ，Ｊ称分伽 激光甫达 测风仪测得的 向分布偏次向，人约偏１０。芹“ ６风向补偿因数修正后分析 通过』－史分析ＩｌＪ‘以看ｊ 静念偏航 差约 】０。 左有，为了消除静态偏航 ．同时验证现场测试干¨数 据分忻的正确性。将现场风向补偿 数ｆｈ ０．００５ ６修 ２０１７／２国 Ｉ１： ０．００８ ３．最大风向补偿角『｝｛ｌ０叶曾人至ｌ５。，其它 运行参数不变 ，运仃一段时问后，对数据进行重新采 集平１１分析，Ｊ｛ 分析结果． 、６．１ 激光雷达测风仪数据 修 ，激光佑达测风仪洲得的ＪｘＬ速和Ｉ风向平均 ｆｒ￡敞 、 分 【】ｆ冬ｌ ９所 激 达测风仪采集的风向数据 状分布ｆＨ１图 ｌ０所爪 ６＿２主控系统采集数据 修Ｉ｝ ，卜控系统采集补偿 风向和Ｊｘ【速平均值 敞点分布 ｌ１所， ． ｉ 控系统 集补偿 风 数 柱状分印如 １２ 所永 、 ｔｔＩ ９～ ｌ２测试数据对比可以吞ｆＨ．增大风向 补偿 数 ，激 甫达测风仪的数据与修 ｌＦ前相比存 向（）。点 近，静态偏航 篪有减小的趋势 且Ⅱ过现场小断测试验证，修正ＪｘＬ向补偿 数．增大 或减小 …补偿们．可以尽 减小平ｕ消除静态偏航误 堆 ７结论 姒 ＿、嗵过激光 ・ｌｉ＂达测风仪对静态偏航误 测试．发现 ＇Ｊ控系统采集的风向和激光甫达测风仪采集的风向存 定的 差 通过对风向补偿 数进仃修ＩＥ，【１Ｔ以 减小 Ｉｆ『ｌｉ『涂风电机引 ，Ｊ静态偏航误差，对提高机组的 发电｛ 具行雨嘤意义 参考文献 ｌ１］ ｆｉｉ俅．Ｊｘ【电丰拄系统 产化发展研究『Ｊ］。装备机械， ２０ｌ３（２）：２－６． 【２］ ｌｌ｛新 ，潘尔浩． 继光．大割风电机组功率曲线的分析与 修 ｆ．１ 川能源技术，２００９（８）：２８～３２． 一３］宁李 ．友 ．刘林．水平轴风力发电机主要载荷的确定 ，『法ｌ－１］．机做制造，２００８，４６（１０）：３２～３４． ４］Ｉ１ｆ一饥冶．风，Ｊ发电系统的设汁、运行与维护『Ｍ Ｅ京：电子 ｒ１ …版｝ｆ：．２０１０ 『５］林钧斌， 骏，孙斌，等．『ｘ【电机组机械载荷测试研究…． 饥撇制造，２０１ ３．５１（７）：６５—６７． ６］ Ｆ萍 ． ，Ｊ发『乜机组偏航控制系统的设汁与研究 々 停小齐：新硝 农、ｌ 大学，２０１２． 】７］孙 林， ＿｝ｆｌ｛株．人型ＪｘＬ力发ｆｆＬ￣ＪＬ动态转矩阻 控制器设 汁『Ｊｌｌ装备机械，２０１４（４）：４６—４９． ８】沈／Ｊ，ＴＶ，杜万里．人型Ｊｘｌ力发电机偏航系统控制策略研究 现状搜展 １． 技术学报，２０１５，３０（１０）：１９６—２０３． 【９ ｉ胡ｆ” ，张ｌ｝ｌｉ磊．夫 风力机叶片气动外彤设汁及ｔ维文 体建ｆＩｌ研究ｌＩＩ １．机械制造，２０１６，５４（１）：１６—１８． ｌ０］ 骏，张永叫，林均斌．等．风电村Ｌ２ＩＩ）ｘＬ轮转动平衡愉测技 ２【ｌｌ７／２ 。ｌ 一 ■ ｌ｝ ・Ｉ ． ：Ｊ ● ●芑 ： ◆ ． ＾ —ｕ Ｉ坷 １嗽 ． ＝ Ｚ－－。 ’ ｌ －‘圈 Ｉ ｒ胃 ■ ｉ’＇－ ／ ｜ Ｌ风向、卜均 ／（。） ▲图９修正后测风仪风速和风向的平均值散点图 【】 Ｉ￣ＬＩ；，Ｉｔ（。。） ６ ５ ４ ３ ２ ▲图１０修正后测风仪采集的风向数据柱状分布图 ２５ ＾ｌ２０ ｛ｒ ｛ ｒ一 Ｉ｝ Ｌ Ｌ 。 Ｊ １５ ● Ｌ 一 － ＿ Ｉ ● ’ｒ 一 ｉ ’Ｔ ．十 — ～ ’ ｒ １０ Ｌ 。 Ｉ工 － ＿ ◆‘‘ ．暖５ ｌ ｉ◆◆ ● （） ０ （） ＪｘＬＩ；ｔｊ甲＿ｊｔ，ｌｆｌ‘｝／ ） ▲图１ ｌ 修正后主控系统采集补偿后风速和风向平均值散点图 （） 一５ （） ｊｘＬｌｌｑ／（。。） ▲图ｌ２修正后主控系统采集补偿后风向数据柱状分布图 术的研究［Ｊ］．机械制造，２０１５．５３（３）：６０—６２． （编辑 斗 机械制造Ｓ５卷第６３０期 一＿