熟悉風(fēng)電的人明白，風(fēng)電出力的波動與風(fēng)速、風(fēng)向的變化直接相關(guān)。已知的是，現(xiàn)代兆瓦級風(fēng)機(jī)都配備了偏航系統(tǒng)，可以根據(jù)風(fēng)向轉(zhuǎn)動機(jī)艙使得葉輪最大程度地保持迎風(fēng)狀態(tài)，要知道只有對風(fēng)性能好的風(fēng)機(jī)，風(fēng)能利用率才會高，且風(fēng)機(jī)的不平衡載荷小，可靠性也就更高。這樣說，你應(yīng)該就了解偏航系統(tǒng)在整個風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的重要性了！但其實，如何在多變的風(fēng)向中尋找規(guī)律一直是風(fēng)電控制中面臨的一大難題，今天我們就聊聊目前偏航系統(tǒng)控制面臨的一些問題和新的技術(shù)思路，看看到底有什么新招既能保證發(fā)電量的提升，又能降低維護(hù)成本？ 　　
　　在討論這個問題之前，還是先熟悉下偏航系統(tǒng)的構(gòu)成和運(yùn)作原理。偏航系統(tǒng)一般包括偏航電機(jī)、偏航減速齒輪箱、偏航軸承、偏航驅(qū)動齒輪箱、偏航制動等部件。偏航電機(jī)提供了偏航的動力，通過偏航減速齒輪箱帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)。小齒輪與偏航軸承（大齒圈通過螺栓緊固在塔筒法蘭上，不能旋轉(zhuǎn)）相嚙合，驅(qū)動了機(jī)艙的旋轉(zhuǎn)，在非偏航狀態(tài)下，主動或被動的偏航制動可以使得機(jī)艙保持穩(wěn)定的狀態(tài)。 　　
　　從理論上來說，風(fēng)機(jī)的風(fēng)能捕獲功率用如下公式表示
　　
　　式中P為功率，ρ為空氣密度，S為掃風(fēng)面積，Cp為風(fēng)能捕獲效率，v為風(fēng)速，β為對風(fēng)夾角。由公式可見，功率與對風(fēng)夾角余弦的三次方成正比關(guān)系。但根據(jù)數(shù)據(jù)分析及多篇文獻(xiàn)調(diào)研，功率與風(fēng)向夾角余弦的平方成正比關(guān)系，如下式： 　　
　　總之，偏航控制系統(tǒng)的目標(biāo)就是減少機(jī)艙與風(fēng)向的偏差β，使得機(jī)艙與風(fēng)向的夾角平均值趨向于零。偏航控制系統(tǒng)實時采集并分析風(fēng)向數(shù)據(jù)，驅(qū)動電機(jī)來調(diào)整機(jī)艙位置，使得風(fēng)機(jī)最大程度的捕獲風(fēng)能。
　　
　　那么實際操作中，風(fēng)機(jī)的偏航控制面臨三大問題：
　　
　　一是如何在整機(jī)載荷和偏航系統(tǒng)硬件的約束下達(dá)到控制的最優(yōu)。由于偏航系統(tǒng)硬件的約束，偏航系統(tǒng)無法做到跟蹤瞬時風(fēng)向，傳統(tǒng)的基于歷史風(fēng)向平均值的偏航控制會面臨著對風(fēng)不準(zhǔn)、偏航頻次過多等問題。要提醒的是，對風(fēng)不準(zhǔn)會導(dǎo)致風(fēng)輪平面內(nèi)的風(fēng)載不平衡，影響風(fēng)機(jī)的壽命和可靠性；偏航頻次過多會帶來偏航電機(jī)、偏航齒輪、摩擦片等偏航系統(tǒng)硬件的失效，同時也會伴生出偏航?jīng)_擊，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動檢測系統(tǒng)的報警和風(fēng)機(jī)停機(jī)。
　　
　　二是如何處理復(fù)雜地形和復(fù)雜風(fēng)況下的偏航控制。在復(fù)雜地形和復(fù)雜風(fēng)況下，由于地形干擾，導(dǎo)致自由來流處的風(fēng)湍流強(qiáng)度變大，風(fēng)向變化劇烈，使得偏航控制的難度進(jìn)一步上升，更嚴(yán)重情況是，一直跟蹤過去的風(fēng)向卻永遠(yuǎn)對不準(zhǔn)正確的風(fēng)向。這種情況下偏航機(jī)械部件的失效率會進(jìn)一步上升。
　　
　　三是如何選擇合適的偏航維護(hù)周期。傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)根據(jù)時間制定周期性的定維計劃，但在實際中面臨低風(fēng)速風(fēng)場維護(hù)過度，高湍流風(fēng)場維護(hù)不足的現(xiàn)象。由此導(dǎo)致的是潤滑不足，偏航齒圈、摩擦片磨損嚴(yán)重，偏航齒圈生銹等問題。
　　
　　知道了問題的癥結(jié)，接下來就可以對癥下藥了！為了解決基于歷史風(fēng)向平均值的偏航控制問題，目前的技術(shù)趨勢是預(yù)測控制，其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與回歸預(yù)測方法相結(jié)合產(chǎn)生了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸，比如徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等。雖說這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但存在結(jié)構(gòu)難以確定、過擬合等問題。值得一提的是，目前基于統(tǒng)計學(xué)理論的支持向量機(jī)回歸預(yù)測，通過在機(jī)器學(xué)習(xí)中的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和學(xué)習(xí)精度之間尋求折衷的方法，獲得了最優(yōu)泛化能力，但缺點(diǎn)是訓(xùn)練速度慢，核函數(shù)參數(shù)選擇困難。此外，還有多種回歸預(yù)測方法，以及回歸預(yù)測與其他相結(jié)合的方法。
　　
　　那么，是不是還有更好的預(yù)測控制方法呢？遠(yuǎn)景通過選取適當(dāng)?shù)念A(yù)測控制方法，可以預(yù)測出未來長時間尺度和短時間尺度的風(fēng)向變化，然后基于預(yù)測風(fēng)向進(jìn)行偏航，從而減少了機(jī)艙與風(fēng)向偏差。同樣，偏航控制與風(fēng)湍流息息相關(guān)，控制系統(tǒng)對風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的采集和分析，再通過風(fēng)模型實時計算出當(dāng)前的湍流時間尺度，最后基于湍流時間尺度選取適當(dāng)?shù)娘L(fēng)向平均值進(jìn)行自適應(yīng)的偏航控制，可以有效降低盲目偏航。來自某風(fēng)場遠(yuǎn)景風(fēng)機(jī)的測試數(shù)據(jù)表明，新的控制算法可提升風(fēng)機(jī)發(fā)電量1%，降低了30%的偏航頻次。
　　
　　須注意的是，在低風(fēng)速風(fēng)場，由于低風(fēng)速下湍流強(qiáng)度更大，會出現(xiàn)同一個風(fēng)場臨近的風(fēng)機(jī)偏航角度相差很大的情況。對此，可以對風(fēng)機(jī)進(jìn)行分組，通過風(fēng)場控制系統(tǒng)來協(xié)同處理同組各風(fēng)機(jī)的風(fēng)向，也就是說，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算出最優(yōu)的風(fēng)向，然后針對風(fēng)機(jī)下發(fā)統(tǒng)一的偏航控制指令。來自遠(yuǎn)景低風(fēng)速風(fēng)場的數(shù)據(jù)表明，分組集群偏航控制可使風(fēng)機(jī)提升3%的發(fā)電量。
　　
　　還需強(qiáng)調(diào)的是，針對偏航維護(hù)周期的問題，控制系統(tǒng)可以通過對偏航時間、偏航里程或者偏航頻次的統(tǒng)計，在模型計算出相應(yīng)偏航部件狀態(tài)，從而告知用戶進(jìn)行偏航維護(hù)。例如：可通過偏航里程，計算出偏航齒的潤滑程度，判斷是否需要進(jìn)行潤滑加油；可以通過振動信號及長期趨勢變化，判斷偏航部件的受損情況等，以提高風(fēng)場運(yùn)維的針對性和發(fā)電效能。