近年来，三北地区装机容量饱和和弃风率等问题日益严重，越来越多的风电场项目开始转向面积广大的低风速区。这些低风速风电场一般都建设在山地环境，受高山和悬崖的影响，风湍流强度大、风向变化频繁。风向突变降低了风电机组风能捕获效率，减少了风电场发电量。如何提高这类风电场年发电量是广大业主和主机厂商们面临的一个重要问题。
本文研究对象为贵州四格风电场二期工程项目的GX93-2500机组，该项目位于贵州省六盘水市盘县坪地乡牛棚梁子山上，地形以山地地形为主，该工程场区内海拔在2200～2780米之间，年均空气密度约为0.92kg/m3，属于典型的高海拔、低密度风场，场址区域地形较复杂。受山地和悬崖影响，该风电场风向变化范围大且频繁。据统计机组每天平均偏航达300多次，为了最大捕获风能，机组需偏航追踪风向变化，但频繁启停偏航增加了机组载荷，也容易造成机组故障停机，影响可利用率。为此，机组偏航策略需平衡这两方面的需求，在尽量减少机组偏航启停次数的前提下，提高机组对风效率，提高机组发电量。
1.偏航系统原理
偏航系统是风电机组的重要组成部分，偏航系统对机组捕获最大风能和载荷影响较大。偏航控制系统包括自动偏航控制、偏航润滑、偏航解揽和手动偏航等子系统。自动偏航控制系统由风向标、偏航电机及减速齿轮箱、偏航刹车系统、偏航编码器、偏航轴承、纽缆保护装置等组成。
大型风力发电机组偏航系统为主动偏航，偏航系统工作原理如图1所示，主控PLC检测风向标和机舱位置信号，分析判断出当前风向，根据风向与机舱位置偏差，给偏航机构发出向左偏或向右偏指令。偏航指令下发后，偏航刹车压力降低到偏航余压值，偏航机构根据指令向左或向右偏航。当机舱与风向偏差小于控制系统设定值后，偏航机构停止工作，偏航刹车锁定，偏航结束。
图1偏航系统原理图
2.自动偏航控制策略
风电机组最大风能捕获与自动偏航系统高效精确对风有着紧密的联系，因此，可靠有效的自动偏航控制策略是当前风电行业研究的重点。
根据机械风向标工作原理，风向标一般与机舱成180°夹角安装，主控PLC根据风向标信号来控制偏航系统动作。当风向信号超出设定范围时，控制PLC就会给偏航系统发出偏航命令。
四格二期风电场山地环境复杂，传统的偏航控制导致机组频繁偏航，因此对偏航控制策略进行优化调整，优化方案遵循以下原则：
（1）允许的偏航方向和风向角度差是变量；
（2）偏航延迟时间取决于风向偏差和风速；
（3）偏航系统主要依据30s平均风向角度差；
（4）当经历一段无风工况后，风速达到启动偏航的最小值时，如果此时偏航角偏差达到90度或-90度，偏航方向选择将判断当前机组的扭缆方向，其宗旨是向解缆的方向偏航，即使这样可能花更长的时间和距离。
根据以上偏航策略原则，对风向偏差进行分段处理，不同的偏差范围设定不同的延时时间。风向偏差范围大时，机组偏航延时时间较短，当风向偏差范围小时，增加延时时间。
偏航延时时间根据风速信号进行修正，小风（<7m/s）或者额定风速以上时，延迟时间保持不变，在其他风速段，进一步减小时间延迟，增加偏航对风的效率。
这样可以降低发电量权重低的小风段偏航次数，同时保证发电量权重大的风速段偏航对风效率，从而可以提高机组发电量。偏航控制策略优化基本流程如图2所示：
图2优化后偏航控制流程图
永磁直驱风电机组采用永磁同步发电机，机舱重量大。在机组偏航启动时，虽然带有偏航余压刹车阻尼，但偏航对机组的冲击仍然较明显，容易触发振动等故障，造成机组故障停机。针对该现象，可以增加软启动设备来降低机组偏航启动时的振动冲击。
3.测试及结果分析
为了验证该偏航控制策略的可靠性和有效性，在四格二期GX93-2500机组上进行测试。统计优化前后三个月风电场机组偏航次数，优化后平均每天偏航次数减少10%左右，尤其是小风段偏航次数明显减少。
对比分析优化前后机组功率曲线，偏航控制策略改进后，7-13m/s风速时，机组功率略有提升，根据四格现场2015年风频分布，年发电量可提高3%左右。2015年四格二期等效小时数为2022小时，比附近风场高10%左右，发电量在贵州风电场前列。
偏航策略优化后，机组平均偏航次数明显减少，大幅减少了小风时机组偏航次数，保证了大风段机组偏航对风效率。因此该偏航策略减少了偏航时触发的机组故障，提高了机组可利用率和发电量。
（图3优化前后功率曲线对比）
4.结语
偏航系统是风电机组重要组成部分，其控制策略影响着机组载荷和发电效率。如何在尽量减少机组偏航动作次数的情况下，提高机组对风效率增加机组发电量是偏航控制策略的目标。本文针对以上需求，对偏航控制策略进行优化，根据风向偏差和风速大小来控制机组偏航动作。测试结果表明，该策略改进可靠有效，适合山地复杂工况下的风电机组。
原标题：复杂山地工况风电机组的偏航控制策略及应用
