海上風電場疲勞分布與有功功率統一控制

　　湘潭大學信息工程學院、海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室、國家能源風力發電機研發（實驗）中心、中國電力科學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《電工技術學報》上撰文，針對風電場各機組疲勞不均勻導致機組維護不同步的問題，以及風電場疲勞優化和有功功率控制顧此失彼的現狀，將機組疲勞優化問題轉化為有功功率控制問題。
　　綜合考慮尾流效應的影響，提出了利用風電場限值發電形成的有功功率調節自由度進行疲勞優化的原理，基于最優控制理論給出了風電場疲勞分布與有功功率統一控制的控制策略；為使控制策略可基于風電場現有軟硬件環境實現，重點基于多智能體技術研究了控制策略的實現方法，設計了多智能體系統的部署方案、智能體層次狀態機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電場有功功率跟蹤調度給定值、不損失發電量的前提下，均勻風電場疲勞分布，保證各機組維護的同步性，降低維護頻率，減少維護成本。
　　風能優良的陸地資源不斷消耗，越來越少，而海上風資源豐沛，發展海上風電是必然趨勢[1]。但海上風電建設成本高，運行維護費用昂貴，其發展面臨經濟性挑戰。就運行維護而言，海上風電機組單次維護成本是陸上的2倍以上[2]；另外，受風浪等制約，故障待修時間可高達數百小時[3]，發電損失大。降低維護頻率是海上風電發展的關鍵之一。
　　風電機組運行中，總是承受交變載荷，部件材料內部缺陷不斷累積和發展并導致性能逐漸劣化，形成疲勞。風電機組是典型的“疲勞機器”，疲勞是機組產生維護需求的主要原因[4]。
　　風電具有不確定性，超短期風能預測誤差一般為7%～19%[5]，為了保證系統的安全穩定，電力系統調度機構需要在運行控制中留有較大的安全裕度[5]，合理安排常規發電機組出力和風電場出力限值[6-8]，進行限值發電。
　　此外，在電力系統事故或緊急情況下，調度機構要求風電場響應電網擾動，按指定的大小和變化率調節有功功率；在系統安全穩定裕度足夠時，調度機構放開對風電場的有功功率大小的限制，風電場在滿足有功功率變化率限值的前提下自由發電[6-8]（以下簡稱自由發電）。丹麥、荷蘭、德國和中國等國家的風電并網標準規定風電場必須根據調度機構指令控制其有功功率輸出。
　　風電場通過有功功率控制器（WindFarmActivePowerController,WFAPC）將調度機構給定的發電任務分解為各機組有功參考值[6-9]，各機組基于變槳距控制、變流器控制等自動跟蹤該參考值，實現風電場對調度機構有功要求的跟蹤。傳統上，WFPAC有功功率控制策略不考慮機組疲勞，早期多采用起停機控制，部分機組停機，其余機組滿發，滿足風電場有功功率需求[10]。這種方法存在頻繁起停機影響機組壽命、有功功率調節粒度過大、有功功率向上調節速度慢等問題，WFAPC按機組可用功率比例將風電場有功出力任務分解到每臺機組[11]成為主要方法。
　　由于尾流效應，氣流流經上風向機組后，平均風速降低[12]，下風向機組可用功率小，按可用功率比例分配到的有功出力任務小，因而下風向機組疲勞程度低[12]。最終，風電場邊界機組疲勞更嚴重，形成疲勞分布的不均勻性，導致維護不同步，維護頻繁。
　　合理利用風電機組葉片氣動阻尼特性[13]以及合理使用阻尼控制反饋[14]，可以使機組的振動效應降低，達到抑制疲勞的目的。獨立變槳[15]、主動偏航[16]等技術能高效抑制機組氣動疲勞。盡管這些研究卓有成效，但只能優化單臺機組個體的疲勞，無法均衡多臺機組的疲勞。文獻[17]提出了一種均衡風電場各機組疲勞的方法，對WFAPC給出的機組有功參考值進行二次調整，以均衡各機組疲勞。該方法導致風電場有功功率比調度機構給定值小5%～10%，限制了其工程應用范圍。
　　針對風電場疲勞優化和有功功率控制顧此失彼的現狀，本文旨在建立風電場疲勞分布和有功功率一體化控制方法，在保證風電場有功功率滿足調度機構要求、不損失發電量的前提下，優化風電場疲勞的均勻性，使各機組維護同步，降低風電場維護成本。
　　為此，研究基于機組有功功率度量機組疲勞的方法，并根據疲勞的累積特性，提出風電場限值發電時進行疲勞優化，而響應電網擾動和自由發電時，按風電場既有策略運行的思想，綜合考慮尾流效應的影響以提高優化準確度。
　　基于最優控制理論，以風電場疲勞均勻性為優化目標，以風電場和機組有功功率為約束條件，建立風電場疲勞分布和有功功率綜合控制方程。重點基于多智能體技術，研究控制系統的實現，使提出的方法對現有風電場無額外的軟硬件要求，具備工程適用性。 　　結論
　　本文提出一種海上風電場有功與疲勞分布統一控制方法，其特點是：
　　（1）通過機組有功功率協調，實現風電場疲勞分布優化，優化各機組維護的同步性，降低風電場維護頻率，降低風電場維護成本。
　?。?）基于疲勞的累積特性，利用調度機構要求風電場限值發電形成的有功調節自由度進行疲勞優化，能在保證風電場有功輸出跟蹤調度機構要求、不損失發電量的前提下，實現疲勞均勻性優化。
　?。?）傳統上，一般認為，限值發電對風電場是純粹的損失，本文研究表明，此時可以優化風電場疲勞，獲得降低維護量的收益。
　?。?）系統實現上，采用多智能體技術，為每臺機組部署一個智能體，各智能體計算負荷小，通信可以基于風電場現有通信環境，系統可以基于風電場現有資源實現，無需另置硬件，具有較好工程實用性。