李元锋
国家电投集团（北京）新能源投资有限公司 100044
风力发电机的偏航误差在实际运行的风电场中很普遍，很多的风力发电制造商及风电场主业以前就注意到风机在运行时，机舱的朝向是不一致的。希望通过一种准确的风向测量方法，让风机的偏航角度更准确，减少对机械传动部件的损伤，增加风机发电量。
由于风力发电机的偏航控制是不连续的，所以，在一次瞬时的测量中，自然风与风力发电机的主轴间是必然会有一个角度的，但从对一台风力发电机的大量的测量中我们可以看到，风力发电机前方的风与主轴存在一个平均偏航误差，以及在这个平均偏航误差基础上的偏航误差离散性（如图）
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一项丹麦RISOE国家实验室的研究显示：大部分的风电场的风机平均偏航误差都在6度以上。但通常只有一些偏航相当大的可以用目视区分，大部分无法目视确定，并且，因为风力发电机的偏航控制是不连续的，风力发电机的偏航误差并不能通过一次的测量来确定，因此，由于一直来没有合适的测量手段来测量偏航误差，另外偏航误差所引起的发电量损失没有量化，所以偏航误差至今未被重视。另一个风机测试的统计结果也显示了75%以上的风机需要进行偏航的校正， 50%以上的风机偏航的误差已经较严重地影响了风机的发电量。
传统的风力发电机的测风装置都是安装在风机尾部，受风轮扰动及机舱外形的影响，不能准确测量风速与风向，偏航误差是现有传统技术不能解决的系统性问题。
一、偏航误差产生的原因
风力发电机的偏航误差主要来自于三个方面：
1.测风设备的安装误差：由于大部分的风力发电机的风向仪安装没有采用标定设备，通常可能会产生±2～10 度安装误差。
2.风轮涡流的影响：风的气流在通过转动的风轮后，会产生很多涡流，使安装在机舱后部的风向仪测量不能准确地测量当时的瞬时风向，大部分的风机制造厂商在处理这些涡流时，都是将风向进行 25 秒至 2 分钟的平均，以过滤掉涡流对风向测量的影响，但由于将平均值作为当前的瞬时值来控制风机的偏航动作，会造成一定的误差与风机偏航的离散性。
3.旋转气流在机舱表面扰动引起的误差：气流通过一个旋转机械时，在其后部会产生一个旋转的气流场，这个气流场在风机机舱表面运动时，会对机舱后部的风向仪产生一个偏转风向，造成风向测量偏差。这个偏差与风机所处的位置的地形、方位有关，所以在同一风电场中每一台风机的偏差都不一样。
二、偏航误差功率损失
偏航误差最直接的结果就是风机发电量的损失，根据近几年国外一些著名独立研究机构的研究结果表明（例Risoe, NERL等）偏航误差与发电量损失遵循COS2的关系，也就是
?P = 1 ? cos2θ
其中 θ为风机的偏航误差夹角。（如下图的“Yaw Angle”）
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一般认为，风机的平均偏航误差在4度以内，由于对发电量的影响很小，在实际校正实施中不需要进行静态调整，偏差在4度以上的风机需要进行调整。 【来源： Ris?-R-1330(EN) Wind Turbine Power Performance Verification in Complex Terrain and Wind Farms】
但是，给风力发电机带来发电量损失的不仅仅是风机平均偏航误差，本质上，风机发电量的损失是每一瞬时风机的偏航误差，也就是风机偏航的离散性是发电量损失的一个重要因素。
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在上面两个风机的偏航误差来看，左边风机平均偏航误差很大，离散性也很大，右边风机平均偏航误差不大，离散性也不大。偏航控制的目标是把左边的风机控制到右边的状态。
三、偏航误差优化策略
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上图是静态偏航矫正的算法示意图，定义offset方向是人在机舱内面向风轮，左手的方向为负，右手的方向为正。偏航误差矫正分别有静态矫正和动态矫正。
静态矫正：通过修改offset参数实现的，即在所有风速下，对所有风向误差的检测值增加一个固定方向的偏移量，然后再输出到偏航控制。
动态矫正：根据激光雷达实测偏航误差，输出到偏航控制算法，可以有效的减少偏航误差的离散型。
几种情况的优化策略分别如下：
工况1：偏航离散性小，平均值小，是偏航矫正的理想结果。
工况2：偏航离散性大，平均值小，需要采用动态偏航矫正，不能采用静态偏航矫正策略。
工况3：偏航离散性大，平均值大，需要采用动态偏航矫正，静态偏航矫正策略效果不理想。
工况4：偏航离散性小，平均值大，只需要采用静态偏航矫正策略。
偏航离散性情况目前在风机的实际运行中是较大的，也就是说，风机在很多的时间，对风的状况不是最好的，偏差很大，因此纠正偏航误差可能带来的发电量改进空间很大。
偏航误差的校正给风机带来了发电量的增加，功率曲线的优化，以及风机载荷的改善。由于偏航误差校正对发电量的改善体现在额定风速以下的功率提升，改善的效果在年均风速越低的区域，优化产生的效果将越明显。
四、激光雷达偏航误差校正的技术实施
先通过激光雷达静态监测（即静态检测阶段）得出静态偏航矫正误差值，然后再采用交替控制的方式进行偏航误差修正（即动态验证阶段），最后通过修改参数，采用完全动态偏航控制阶段。
1.交替矫正策略说明
先通过激光雷达静态监测（即静态检测阶段）得出静态偏航矫正误差值，然后再采用交替控制的方式进行偏航误差修正（即动态验证阶段），通过数据分析，评价优化效果。
由于影响风机的功率曲线的因素很多，主要包括环境温度，气压，湍流和风向等因素，根据IEC61400-12的标准，总体不确定因素超过5%。 根据常识和统计规律，时间相邻的一个小时内温度，气压，绝对风向都会比较接近。所以采用交替矫正控制的方式尽可能的减少不确定因素，如下图所示，t0，t1，t2……之间间隔1个小时通过修改风机主控制程序自动切换激光雷达实测数据和风向风速仪数据用于偏航控制，比如说，在t0至t1时刻采用激光雷达实测偏航误差数据（或者静态计算偏航误差数据）来优化风机偏航控制，在t1至t2时刻应用风机原先的风向标数据进行偏航控制。
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2.动态偏航控制策略
由上图可知，在动态偏航控制中还是需要常规的机械或者超声波风速风向仪，常规测风仪与激光雷达测风的数据信号选择通过如下策略框图实现。
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3.静态检测矫正
总体的工作内容/步骤：
选定要安装激光雷达的风机（选择原则是尽可能在主风向上不受其他风机干扰的风机机位）—— 优化主控偏航控制软件并测试——优化SCADA数据记录并测试——检查风机的风速仪和风向标的紧固情况，做好标记——将激光雷达安装于风机顶部，控制盒安装在机舱内——雷达与风机主控系统正常连接工作，并按照要求SCADA记录数据——经过二至四周左右时间的数据测量，进行统计分析，得出风机实际的偏航误差数据。得出静态矫正报告，得到静态矫正参数offset。
4.动态验证
根据静态矫正报告，设定矫正参数offset和偏航控制模式为交替矫正动态偏航控制，经过3至4个月的测试记录，同时记录同步时间的SCADA数据，得到动态验证结果。
五、现场实际运行偏航矫正测量验证
1. 本次采用的激光雷达，能在风机前面80米处聚焦两道激光束，每道激光还与中心轴呈30度夹角，当系统在感应区内接收到同等的风矢量的风机就处于完全对准来风的状态。
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2.5#机组测量结果分析
通过采集处理7月13号至7月31号SCADA的机组信息以及激光雷达的数据，通过分析处理数据得到如图所示,当前机组风向标平均偏差有2.7369度，绝对偏航误差为9.048度，偏航需矫正偏差为-2.5239度。
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5#风机现场偏航标定后偏航误差示意
下图为激光雷达校准前后的功率曲线对比图，由下图可知，8m/s到12m/s风速段功率提升明显，根据项目年平均风速对应的风频威布尔分布计算，偏航修正后年发电量可以提升1.913415%。
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经过两个多月的现场实际测风、偏航矫正及分析，可以得出以下结论：现场的机组存在一定程度的对风误差，测出的对风误差不算很大，为2.5度；激光雷达能有效矫正偏航误差，从而改善功率曲线，并提高机组年发电量2%左右。