风力发电痛点：如何改善风力涡轮机的性能？
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年9月刊杂志，原标题为：如何改善风力涡轮机的性能？
在风力涡轮机上，安装更高性能的可编程逻辑控制器（PLC），配置更好的测量传感器和更多的运算逻辑，能够帮助用户实现更高的效率，减少停机时间，降低维护费用。
大多数风力涡轮机，使用机械式风速计和风向标来测量风力工况，将风速和风向等数据传递给风力涡轮机控制器。然而，在原始设备制造商（OEM）配置的监视和控制系统内，存在着很多内在的缺陷，会导致风力涡轮机较高的维护费用和较低的功率性能。
1风力调节中的问题
在美国德克萨斯中部，从2006年开始到2008年，分三期建成的布法罗加普风场，一共安装了296台风力涡轮机（见图1）。第一期包括671.8兆瓦的风力涡轮机；第二期包括1551.5兆瓦的风力涡轮机；第三期包括742.3兆瓦的风力涡轮机。风场发电能力为524兆瓦，目前是世界上第7大风力发电厂。它每年生产的清洁、可再生能源超过1,60万 兆瓦/小时。这个风场在投产之初曾遇到过两个棘手的问题。
图1：在美国的布法罗加普风场，增加了Idec PLC之后，大大改善了296台风力涡轮机的运行效率。本文所有图片来源：AES公司
第一个问题是传感器使用的运动部件。风速仪使用“风杯”来测量风速，风向标使用尾翼来测量矢量或者风向的变化。对风场进行现场检查时发现，造成很多传感器出问题的大多数故障都和轴承问题相关；轴承问题会导致精度降低，减少仪表的使用寿命。增加轴承的滚动阻力也会影响风力测量的精度；由于这些数据被用于优化风力涡轮机的性能，因此也会影响风力涡轮机的效率。加上冬季天气寒冷，传感器外露机械部件的结冰也会增加维护工作。
在寒冷结冰的天气中，有的风力涡轮机会受到严重影响。轻微的湿度，再加上气温低于零度，风速仪和风向标就会被冻住，从而导致风力涡轮机停机。为了应对这样的天气，有的风力涡轮机则配置了加热型传感器，对冬季寒冷天气的耐受要好一些；但是由于传感器轴承的温度更高，导致系统轴承的平均故障间隔时间要小得多。
第二个问题是传感器性能。研究和测试证明，在高湍流工况或风剧烈切换的情况下，风杯和叶片类型的传感器精度不高，并且由于旋翼洗流具有较高的涡流系数，因此不适用于下风向轴承。在正常运行期间，转子转速随着风速逐步增加。然而，由于局部故障导致风速仪未能上报风速，而转子加速度则在不断增加，这就意味着大量的风能（大概占到10%）没有转化成电能。这部分能量由轴承以及驱动机构吸收，最终通过轴承运动耗散。
风速仪轴承的转动阻力，会随着时间的推移而逐步增加，直到最后完全卡死。理想情况下，由于不断增加的转动阻力而导致的异常负载，使得风力涡轮机在轴承未完全卡死之前就会出现故障。但是在很多情况下，涡轮机永远不会发现问题，风速仪的部分故障，要比完全失效更具破坏性，因为它可能会摧毁风力涡轮机的驱动机构。
2提升系统的性能
由于风力数据对记录涡流和保护风力涡轮机至关重要，因此风力涡轮机需要精确的风力工况信息，以便安全运行。当风速仪转速不能快速变化时，比如轴承带故障运行时，就无法精确测量涡流。涡轮机控制系统，根据涡流程度的不同，分别调节叶片间距和转子转速，以便保护叶片和驱动机构免受因为旋转叶片的不当使用而导致的疲劳损害。不好的风速测量和不正确的调整一样，都会增加疲劳损害。
精确的风向也同样重要。一旦涡轮风机的偏离角度超过+/-10度，功率输出就会急剧下降。与相邻的、风向标正常工作的风力涡轮机相比，输出功率可能会降低20%。实际应用中也确实观察到过这种情况，这可能是因为涡轮机运行时，风向标有局部故障。这个案例证明，测量应用更适合使用超声波仪表，因为它可以提供更精确、更可靠的风力状态显示。
机械式风力测量装置，被超声波传感器（见图2）所取代，使用可编程逻辑控制器（PLC）转换传感器测量的信号，从而可以更好的控制风力涡轮机。需要将从超声波传感器得到的信号，转换为涡轮机控制器可以使用的信号。没有任何一种超声波传感器，能提供可供所有类型的涡轮机控制器直接使用的各种形式的信息。因此，需要安装Modbus适配器，以便能接收来自于超声波传感器的信号，并通过Modbus将其传送给PLC。
图2：安装在涡轮机顶部的超声波传感器（圆顶），能比OEM所提供的机械式风速仪和风向标更精确的测量风速和风向，为PLC提供关键信息。
PLC可以充当涡轮机的仿真器。也就是说，根据涡轮机类型的不同，编写专门的梯形图逻辑，来仿真每个涡轮控制器所需要的数字逻辑传感器信号。我们还希望创建逻辑，来为动态性能，比如机舱转换函数和艏摇偏差等提供非线性校正。所有的设备、240W的电源以及现有的OEM涡轮机控制器，全部安装在涡轮机的机舱内（见图3）。
图3：将新的Idec PLC和电源，以及现有的风力涡轮机控制器，一起安装到涡轮机的机舱内。
使用LIDAR，一种激光检测和排序技术，可以验证所期望的性能、统计工具与方法的持续应用，由此团队意识到可以进一步提升涡轮机的性能。艏摇偏差（对齐），以及风速校正（机舱转换函数），是固有的动态和非线性。这个数据允许工程师通过编写逻辑，在涡轮机控制系统真正使用这些数据前，来校正扭曲的风速和风向数据，这样就可以增加能量的获取，降低驱动装置的磨损。
PLC数据被传递给控制中心，工程师在此进行统计分析，为PLC和涡轮机控制器编程，分析数据来预测故障发生的时间。
尽管该系统仍然在优化之中，但是初步的成果包括：气象学精度提高，运行停机减少，涡轮机-驱动机构疲劳负载降低，以及涡轮机效率的提升。（作者：Tristan Lee）