熟悉風電的人明白，風電出力的波動與風速、風向的變化直接相關。已知的是，現(xiàn)代兆瓦級風機都配備了偏航系統(tǒng)，可以根據(jù)風向轉動機艙使得葉輪最大程度地保持迎風狀態(tài)，要知道只有對風性能好的風機，風能利用率才會高，且風機的不平衡載荷小，可靠性也就更高。這樣說，你應該就了解偏航系統(tǒng)在整個風機系統(tǒng)中的重要性了！但其實，如何在多變的風向中尋找規(guī)律一直是風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，又能降低維護成本？ 　　
　　在討論這個問題之前，還是先熟悉下偏航系統(tǒng)的構成和運作原理。偏航系統(tǒng)一般包括偏航電機、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。偏航電機提供了偏航的動力，通過偏航減速齒輪箱帶動小齒輪旋轉。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）相嚙合，驅(qū)動了機艙的旋轉，在非偏航狀態(tài)下，主動或被動的偏航制動可以使得機艙保持穩(wěn)定的狀態(tài)。 　　
　　從理論上來說，風機的風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為掃風面積，Cp為風能捕獲效率，v為風速，β為對風夾角。由公式可見，功率與對風夾角余弦的三次方成正比關系。但根據(jù)數(shù)據(jù)分析及多篇文獻調(diào)研，功率與風向夾角余弦的平方成正比關系，如下式： 　　
　　總之，偏航控制系統(tǒng)的目標就是減少機艙與風向的偏差β，使得機艙與風向的夾角平均值趨向于零。偏航控制系統(tǒng)實時采集并分析風向數(shù)據(jù)，驅(qū)動電機來調(diào)整機艙位置，使得風機最大程度的捕獲風能。
　　
　　那么實際操作中，風機的偏航控制面臨三大問題：
　　
　　一是如何在整機載荷和偏航系統(tǒng)硬件的約束下達到控制的最優(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向，傳統(tǒng)的基于歷史風向平均值的偏航控制會面臨著對風不準、偏航頻次過多等問題。要提醒的是，對風不準會導致風輪平面內(nèi)的風載不平衡，影響風機的壽命和可靠性；偏航頻次過多會帶來偏航電機、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，導致風機振動檢測系統(tǒng)的報警和風機停機。
　　
　　二是如何處理復雜地形和復雜風況下的偏航控制。在復雜地形和復雜風況下，由于地形干擾，導致自由來流處的風湍流強度變大，風向變化劇烈，使得偏航控制的難度進一步上升，更嚴重情況是，一直跟蹤過去的風向卻永遠對不準正確的風向。這種情況下偏航機械部件的失效率會進一步上升。
　　
　　三是如何選擇合適的偏航維護周期。傳統(tǒng)風機根據(jù)時間制定周期性的定維計劃，但在實際中面臨低風速風場維護過度，高湍流風場維護不足的現(xiàn)象。由此導致的是潤滑不足，偏航齒圈、摩擦片磨損嚴重，偏航齒圈生銹等問題。
　　
　　知道了問題的癥結，接下來就可以對癥下藥了！為了解決基于歷史風向平均值的偏航控制問題，目前的技術趨勢是預測控制，其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡與回歸預測方法相結合產(chǎn)生了BP神經(jīng)網(wǎng)絡回歸，比如徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡回歸、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡等等。雖說這些神經(jīng)網(wǎng)絡結構簡單，易于實現(xiàn)，但存在結構難以確定、過擬合等問題。值得一提的是，目前基于統(tǒng)計學理論的支持向量機回歸預測，通過在機器學習中的結構復雜性和學習精度之間尋求折衷的方法，獲得了最優(yōu)泛化能力，但缺點是訓練速度慢，核函數(shù)參數(shù)選擇困難。此外，還有多種回歸預測方法，以及回歸預測與其他相結合的方法。
　　
　　那么，是不是還有更好的預測控制方法呢？遠景通過選取適當?shù)念A測控制方法，可以預測出未來長時間尺度和短時間尺度的風向變化，然后基于預測風向進行偏航，從而減少了機艙與風向偏差。同樣，偏航控制與風湍流息息相關，控制系統(tǒng)對風速、風向數(shù)據(jù)進行實時的采集和分析，再通過風模型實時計算出當前的湍流時間尺度，最后基于湍流時間尺度選取適當?shù)娘L向平均值進行自適應的偏航控制，可以有效降低盲目偏航。來自某風場遠景風機的測試數(shù)據(jù)表明，新的控制算法可提升風機發(fā)電量1%，降低了30%的偏航頻次。
　　
　　須注意的是，在低風速風場，由于低風速下湍流強度更大，會出現(xiàn)同一個風場臨近的風機偏航角度相差很大的情況。對此，可以對風機進行分組，通過風場控制系統(tǒng)來協(xié)同處理同組各風機的風向，也就是說，通過神經(jīng)網(wǎng)絡模型計算出最優(yōu)的風向，然后針對風機下發(fā)統(tǒng)一的偏航控制指令。來自遠景低風速風場的數(shù)據(jù)表明，分組集群偏航控制可使風機提升3%的發(fā)電量。
　　
　　還需強調(diào)的是，針對偏航維護周期的問題，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，在模型計算出相應偏航部件狀態(tài)，從而告知用戶進行偏航維護。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，以提高風場運維的針對性和發(fā)電效能。