湘潭大學信息工程學院、海上風力發(fā)電技術與檢測國家重點實驗室、國家能源風力發(fā)電機研發(fā)(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(yōu)化和有功功率控制顧此失彼的現(xiàn)狀，將機組疲勞優(yōu)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(fā)電形成的有功功率調節(jié)自由度進行疲勞優(yōu)化的原理，基于最優(yōu)控制理論給出了風電場疲勞分布與有功功率統(tǒng)一控制的控制策略;為使控制策略可基于風電場現(xiàn)有軟硬件環(huán)境實現(xiàn)，重點基于多智能體技術研究了控制策略的實現(xiàn)方法，設計了多智能體系統(tǒng)的部署方案、智能體層次狀態(tài)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(fā)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(yōu)良的陸地資源不斷消耗，越來越少，而海上風資源豐沛，發(fā)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(fā)展面臨經(jīng)濟性挑戰(zhàn)。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(shù)百小時[3]，發(fā)電損失大。降低維護頻率是海上風電發(fā)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(fā)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(chǎn)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(tǒng)的安全穩(wěn)定，電力系統(tǒng)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(guī)發(fā)電機組出力和風電場出力限值[6-8]，進行限值發(fā)電。

此外，在電力系統(tǒng)事故或緊急情況下，調度機構要求風電場響應電網(wǎng)擾動，按指定的大小和變化率調節(jié)有功功率;在系統(tǒng)安全穩(wěn)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(fā)電[6-8](以下簡稱自由發(fā)電)。丹麥、荷蘭、德國和中國等國家的風電并網(wǎng)標準規(guī)定風電場必須根據(jù)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(fā)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(xiàn)風電場對調度機構有功要求的跟蹤。傳統(tǒng)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(fā)，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(jié)粒度過大、有功功率向上調節(jié)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(jīng)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(yōu)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(yōu)化和有功功率控制顧此失彼的現(xiàn)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(fā)電量的前提下，優(yōu)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(jù)疲勞的累積特性，提出風電場限值發(fā)電時進行疲勞優(yōu)化，而響應電網(wǎng)擾動和自由發(fā)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(yōu)化準確度。

基于最優(yōu)控制理論，以風電場疲勞均勻性為優(yōu)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(tǒng)的實現(xiàn)，使提出的方法對現(xiàn)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(tǒng)一控制方法，其特點是：

(1)通過機組有功功率協(xié)調，實現(xiàn)風電場疲勞分布優(yōu)化，優(yōu)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。

(2)基于疲勞的累積特性，利用調度機構要求風電場限值發(fā)電形成的有功調節(jié)自由度進行疲勞優(yōu)化，能在保證風電場有功輸出跟蹤調度機構要求、不損失發(fā)電量的前提下，實現(xiàn)疲勞均勻性優(yōu)化。

(3)傳統(tǒng)上，一般認為，限值發(fā)電對風電場是純粹的損失，本文研究表明，此時可以優(yōu)化風電場疲勞，獲得降低維護量的收益。

(4)系統(tǒng)實現(xiàn)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(xiàn)有通信環(huán)境，系統(tǒng)可以基于風電場現(xiàn)有資源實現(xiàn)，無需另置硬件，具有較好工程實用性。

本文方案擬在合作企業(yè)中應用。