湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院、海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家能源風(fēng)力發(fā)電機(jī)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心、中國電力科學(xué)研究院的研究人員蘇永新、段斌、朱廣輝、樊勇華，在2015年第22期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，針對風(fēng)電場各機(jī)組疲勞不均勻?qū)е聶C(jī)組維護(hù)不同步的問題，以及風(fēng)電場疲勞優(yōu)化和有功功率控制顧此失彼的現(xiàn)狀，將機(jī)組疲勞優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為有功功率控制問題。
綜合考慮尾流效應(yīng)的影響，提出了利用風(fēng)電場限值發(fā)電形成的有功功率調(diào)節(jié)自由度進(jìn)行疲勞優(yōu)化的原理，基于最優(yōu)控制理論給出了風(fēng)電場疲勞分布與有功功率統(tǒng)一控制的控制策略；為使控制策略可基于風(fēng)電場現(xiàn)有軟硬件環(huán)境實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)基于多智能體技術(shù)研究了控制策略的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了多智能體系統(tǒng)的部署方案、智能體層次狀態(tài)機(jī)和智能體間的信息交互方案。仿真表明，提出的方法能在保證風(fēng)電場有功功率跟蹤調(diào)度給定值、不損失發(fā)電量的前提下，均勻風(fēng)電場疲勞分布，保證各機(jī)組維護(hù)的同步性，降低維護(hù)頻率，減少維護(hù)成本。
風(fēng)能優(yōu)良的陸地資源不斷消耗，越來越少，而海上風(fēng)資源豐沛，發(fā)展海上風(fēng)電是必然趨勢[1]。但海上風(fēng)電建設(shè)成本高，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用昂貴，其發(fā)展面臨經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)。就運(yùn)行維護(hù)而言，海上風(fēng)電機(jī)組單次維護(hù)成本是陸上的2倍以上[2]；另外，受風(fēng)浪等制約，故障待修時間可高達(dá)數(shù)百小時[3]，發(fā)電損失大。降低維護(hù)頻率是海上風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵之一。
風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中，總是承受交變載荷，部件材料內(nèi)部缺陷不斷累積和發(fā)展并導(dǎo)致性能逐漸劣化，形成疲勞。風(fēng)電機(jī)組是典型的“疲勞機(jī)器”，疲勞是機(jī)組產(chǎn)生維護(hù)需求的主要原因[4]。
風(fēng)電具有不確定性，超短期風(fēng)能預(yù)測誤差一般為7%～19%[5]，為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，電力系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)需要在運(yùn)行控制中留有較大的安全裕度[5]，合理安排常規(guī)發(fā)電機(jī)組出力和風(fēng)電場出力限值[6-8]，進(jìn)行限值發(fā)電。
此外，在電力系統(tǒng)事故或緊急情況下，調(diào)度機(jī)構(gòu)要求風(fēng)電場響應(yīng)電網(wǎng)擾動，按指定的大小和變化率調(diào)節(jié)有功功率；在系統(tǒng)安全穩(wěn)定裕度足夠時，調(diào)度機(jī)構(gòu)放開對風(fēng)電場的有功功率大小的限制，風(fēng)電場在滿足有功功率變化率限值的前提下自由發(fā)電[6-8]（以下簡稱自由發(fā)電）。丹麥、荷蘭、德國和中國等國家的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定風(fēng)電場必須根據(jù)調(diào)度機(jī)構(gòu)指令控制其有功功率輸出。
風(fēng)電場通過有功功率控制器（WindFarmActivePowerController,WFAPC）將調(diào)度機(jī)構(gòu)給定的發(fā)電任務(wù)分解為各機(jī)組有功參考值[6-9]，各機(jī)組基于變槳距控制、變流器控制等自動跟蹤該參考值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場對調(diào)度機(jī)構(gòu)有功要求的跟蹤。傳統(tǒng)上，WFPAC有功功率控制策略不考慮機(jī)組疲勞，早期多采用起停機(jī)控制，部分機(jī)組停機(jī)，其余機(jī)組滿發(fā)，滿足風(fēng)電場有功功率需求[10]。這種方法存在頻繁起停機(jī)影響機(jī)組壽命、有功功率調(diào)節(jié)粒度過大、有功功率向上調(diào)節(jié)速度慢等問題，WFAPC按機(jī)組可用功率比例將風(fēng)電場有功出力任務(wù)分解到每臺機(jī)組[11]成為主要方法。
由于尾流效應(yīng)，氣流流經(jīng)上風(fēng)向機(jī)組后，平均風(fēng)速降低[12]，下風(fēng)向機(jī)組可用功率小，按可用功率比例分配到的有功出力任務(wù)小，因而下風(fēng)向機(jī)組疲勞程度低[12]。最終，風(fēng)電場邊界機(jī)組疲勞更嚴(yán)重，形成疲勞分布的不均勻性，導(dǎo)致維護(hù)不同步，維護(hù)頻繁。
合理利用風(fēng)電機(jī)組葉片氣動阻尼特性[13]以及合理使用阻尼控制反饋[14]，可以使機(jī)組的振動效應(yīng)降低，達(dá)到抑制疲勞的目的。獨(dú)立變槳[15]、主動偏航[16]等技術(shù)能高效抑制機(jī)組氣動疲勞。盡管這些研究卓有成效，但只能優(yōu)化單臺機(jī)組個體的疲勞，無法均衡多臺機(jī)組的疲勞。文獻(xiàn)[17]提出了一種均衡風(fēng)電場各機(jī)組疲勞的方法，對WFAPC給出的機(jī)組有功參考值進(jìn)行二次調(diào)整，以均衡各機(jī)組疲勞。該方法導(dǎo)致風(fēng)電場有功功率比調(diào)度機(jī)構(gòu)給定值小5%～10%，限制了其工程應(yīng)用范圍。
針對風(fēng)電場疲勞優(yōu)化和有功功率控制顧此失彼的現(xiàn)狀，本文旨在建立風(fēng)電場疲勞分布和有功功率一體化控制方法，在保證風(fēng)電場有功功率滿足調(diào)度機(jī)構(gòu)要求、不損失發(fā)電量的前提下，優(yōu)化風(fēng)電場疲勞的均勻性，使各機(jī)組維護(hù)同步，降低風(fēng)電場維護(hù)成本。
為此，研究基于機(jī)組有功功率度量機(jī)組疲勞的方法，并根據(jù)疲勞的累積特性，提出風(fēng)電場限值發(fā)電時進(jìn)行疲勞優(yōu)化，而響應(yīng)電網(wǎng)擾動和自由發(fā)電時，按風(fēng)電場既有策略運(yùn)行的思想，綜合考慮尾流效應(yīng)的影響以提高優(yōu)化準(zhǔn)確度。
基于最優(yōu)控制理論，以風(fēng)電場疲勞均勻性為優(yōu)化目標(biāo)，以風(fēng)電場和機(jī)組有功功率為約束條件，建立風(fēng)電場疲勞分布和有功功率綜合控制方程。重點(diǎn)基于多智能體技術(shù)，研究控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，使提出的方法對現(xiàn)有風(fēng)電場無額外的軟硬件要求，具備工程適用性。
圖1風(fēng)電場布局模型
結(jié)論
本文提出一種海上風(fēng)電場有功與疲勞分布統(tǒng)一控制方法，其特點(diǎn)是：
（1）通過機(jī)組有功功率協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場疲勞分布優(yōu)化，優(yōu)化各機(jī)組維護(hù)的同步性，降低風(fēng)電場維護(hù)頻率，降低風(fēng)電場維護(hù)成本。
（2）基于疲勞的累積特性，利用調(diào)度機(jī)構(gòu)要求風(fēng)電場限值發(fā)電形成的有功調(diào)節(jié)自由度進(jìn)行疲勞優(yōu)化，能在保證風(fēng)電場有功輸出跟蹤調(diào)度機(jī)構(gòu)要求、不損失發(fā)電量的前提下，實(shí)現(xiàn)疲勞均勻性優(yōu)化。
（3）傳統(tǒng)上，一般認(rèn)為，限值發(fā)電對風(fēng)電場是純粹的損失，本文研究表明，此時可以優(yōu)化風(fēng)電場疲勞，獲得降低維護(hù)量的收益。
（4）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，采用多智能體技術(shù)，為每臺機(jī)組部署一個智能體，各智能體計(jì)算負(fù)荷小，通信可以基于風(fēng)電場現(xiàn)有通信環(huán)境，系統(tǒng)可以基于風(fēng)電場現(xiàn)有資源實(shí)現(xiàn)，無需另置硬件，具有較好工程實(shí)用性。
