在双碳背景下，风电等清洁能源呈现规模化的发展趋势，而为了有效提高机组的安全性，必须要基于传统的分段控制模式进行优化改造，融合智能技术、现代化设备，实现协同管理，方可有效提高资源利用效率，满足多种工况的应用需求，继而为推动风电机组等新能源的智慧化、集约化发展奠定基础。

1.项目概述

某风电场在2013年投运FD77-1500型双馈机组共有30台，其中设置额定功率为1.5MW。在长期运行中，此机组出现了性能不足的隐患问题，传动链震动以及叶片疲劳荷载过高。因此，为了有效满足多工况的应用需求，针对此机组实际状况对其进行技术优化。

第一，针对此项目特征，重点做好硬件升级优化。通过增设激光雷达设备、对主控制器性能升级，应用多核处理设备，及时更换高频荷载传感设备。

第二，综合现有设备性能、不同应用环境、功能需求以及目标等多种因素，合理设置模型预测控制系统、PID协同算法，通过此种方式可以有效实现转速与桨距角的实时性、同步优化处理。第三，综合机组数据、SCADA等多种因素构建数字孪生模型系统，实现对控制策略的虚拟动态模拟，有效测试系统的运行性能与潜在隐患问题。

2.风电机组最优转速与桨距角优化改造关键措施

根据此项目改造需求以及目标，重点做好硬件升级优化，通过设置智能感知系统进行动态分析；另外，协同智慧技术、专业设备进行数据采集，提高机组综合性能，实现性能优化与升级管理。

2.1加装智能感知系统

2.1设备升级优化

综合此项目特征，应用扫描式激光雷达系统进行设备升级优化。系统可以有效实现对前方150--250m距离的风轮扫掠面二维风速参数、风向剖面参数信息的动态感知，通过系统进行数据采集，利用系统进行智能分析，继而有效了解风切变化特征，湍流以及极端阵风的主要变化趋势。

2.2安装以及校准

在设备的升级改造中，主要就是通过在机舱的顶部前方3m的距离中设置，要避开尾流区，有效减少外在环境产生的干扰与影响。安装角度要符合要求，其中俯仰角设置为-5℃，充分保障激光平面覆盖风轮结构的主要区域，实现全面覆盖与动态感知。在安装之后，要在机舱的后补位置，设置传统风速仪，对其进行两个周期范围内的信息数据对比，了解数据相关性特征，构建完善的映射模型，继而充分保障信息数据的融合性、可靠性。通过此种方式可以将其作为MPPT的前馈补偿机制，采集信息数据，实现精准预测，动态分析。

2.2关键部位高频载荷监测网络升级

在叶片的根部位置要设置两组应变花，实现对挥舞与摆振弯矩的实时性测量与动态分析。另外，在主轴的扭矩传感器以及轴承座等关键位置要设置传感设备，采集信息数据。在塔筒的顶部位置、底部位置基于要求合理设置加速度计以及应变片等相关设置。通过此种设置可以将其作为独立的变桨控制系统，有效满足多目标优化的信息数据处理。

2.3核心控制器与执行机构更新优化

第一，升级主要控制器。将原有的单核处理器升级为多核工业处理设备。充分满足系统计算要求，便于模型预测控制等各个复杂环境的实时性计算。第二，更换驱动器设备，提高综合性能，保障桨距角调节速率可以符合要求，不得小于7°/秒，实现精准定位。并且基于实际状况进行电源以及相关备份系统的综合检查，保障系统运行的安全性、稳定性。通过此种方式可以有效实现快速操作，精准执行。

3.风电机组最优转速与桨距角优化改造技术

3.1构建改造模型系统

在进行风电机组最优转速以及桨距角优化过程中，要构建动态感知、智能决策、精准执行、全面验证的管理模式。对此，为了提高改造效果，在此项目中通过在风电场机组顶部设置激光雷达，可以获得不同工况状态中的风速变化特征，了解风切变以及湍流强度剖面特征。基于实际状况，合理设置振动传感设备，利用扭矩仪等设备，采集、存储传动链等高频信息数据。其中，系统的主控制主要就是利用工业多核处理设备，基于MPC模型预测控制算法，输出转速以及桨距角的质量参数与相关信息数据。系统执行环节要基于变桨系统的运行性能、动态变化等多种因素校核其综合性能。

3.2高精度气动模型以及在线辨识

通过调查分析，在此项目的改造之前其存在的主要问题包括了机组标准启动模型复杂工况的误差问题，其中在低空气密度等非设计工况中，误差达到了4.7%。对此，通过模型融合密度、叶片污染系数等相关参数对其进行处理，获得修正模块数据。通过在线辨识技术进行处理，在主控器中设置具有遗忘因子的递推最小二乘法技术，这样则可以对风电机组在不同工况的运行状态进行分析，残差风速、转速以及桨距角等关键信息参数，反向辨识升力系数以及阻力系数的变化特征，通过分析曲线规律的方式，在24小时中可以将辨识结果在控制模型系统中同步更新。

表1：高精度气动模型与在线辨识实施效果

3.3最优转速跟踪的MPPT

在升级中主要就是通过“动态步长搜索+前馈补偿”的组合方式进行处理。其中动态步长基于目前功率、转速曲线特征，综合实际状况对其进行阶梯化调控，实现自动优化。有效提高了系统的收敛速度，增强了整体的稳定性。

3.3.1动态步长爬山法

此种方式就是基于固定步长的转速调控，融合智能化技术手段。通过对功率-转速曲线之间的局部梯度的实时性计算，了解其变化特征，在曲线陡峭的远离峰值区域中，利大步长实现快速的接近；而在曲线的平坦区域中，则调整为小步长对其进行精细化搜索，利用此种方式可以别避免出现超调振荡等诸多隐患问题，此种技术手段具有自适应的特征，可以有效提高整体操作过程的稳定性，提高了综合性能。

3.3.2前馈补偿

通过具有前瞻感知功能的前馈补偿模式进行处理，联合记载激光雷达系统实现提前预测，了解在100-250m中的风轮风速变化特征。利用控制器进行信息融合，在风速预测模型系统中基于需求进行数值调控，实现精准预控以及动态跟踪处理。

3.3.3转动惯量补偿与功率优化

在提高其整体速度过程中，总行额加速以及减速风轮在运行中产生的能量消耗、释放的惯性功率等特征，利用智能算法将惯性功率分量在总功率中进行剔除，充分保障了决策的有效性，避免了因为数据冗余而出现的惯性功率问题。另外，系统可以基于立即不同工况进行智能决策，保障方案最佳性。而在激光雷达中通过对前方风速序列的动态分析，利用ARIMA模型对今后风速的变化特征进行预测，可以通过控制器根据数值变化进行调控，实现预补偿操作。通过此种方式进行处理，可以在15%的湍流强度以及7m/s的平均风况下，保障机组实际叶尖速比最佳值，将误差控制在±0.3范围内。

3.4桨距角协同控制与载荷抑制

3.4.1分层控制架构系统

顶层主要就是进行统一变桨系统进行处理。其主要可以基于平均风速、功率误差等数据特征，通过增益调度PID控制器对桨距角进行计算分析。底层结构主要高空了独立变桨系统，其通过对叶片根部设置的应变片进行分析，读取信号数据，利用多通道循环抑制算法进行处理，则可以确定各个叶片的独立附加桨距角的指令参数，继而达到抵消周期性荷载的变化问题。其中，桨距角协同控制与载荷抑制效果如表2所示。

表2：桨距角协同控制与载荷抑制效果

通过分析可以分析，在额定功率状态下进行分析，利用雨流计数法对其进行动态分析可以确定，在叶片根部面内弯矩中的等效疲劳荷载降低显著。而模拟50年的极端状态，可以发现塔筒底部的最大倾覆弯矩降低了8%左右。由此可见此种方式效果显著，可以有效满足多种工况的应用需求。

4.结束语

最优转速以及桨距角的优化处理过程中，要综合项目特征、既定目标、应用环境以及工况等多种因素系统分析，联合智能技术、传感设备以及现代化算法，融合数字孪生以及智能控制等多种技术手段，继而有效提高系统的综合有新冠，充分保障发电效率与质量，降低机组在运行中的荷载，有效提高综合性能，降低不良影响，达到延长服役期限的目的。今后，随着高精尖设备、智能化技术的不断发展，系统的自适应能力势必会更加完善，继而有效推动了风电行业的智慧化、持续化发展。
参考文献：

[2]周晓飞.基于代理模型的风电机组变桨控制参数优化[D].沈阳工业大学,2025.

[2]田春筝,王浚怡,蒋小亮,等.基于模糊控制与风速分区的风电机组一次调频控制策略研究[J].可再生能源,2025,43(01):124-133.

[3]佘淋淋,胡书举,孟岩峰,等.双风轮风电机组过渡区两段式变桨距优化协调控制策略[J].电力自动化设备,2025,45(03):72-77.

[4]张思博.基于自主响应的双馈风电机组一次调频控制策略研究[D].沈阳工业大学,2024.

[5]郭克,戴璇,张彬彬,等.基于机组动态分类的风电场一次调频协调控制算法[J].电力系统保护与控制,2025,53(21):178-187.