提高低風速風電場發(fā)電量措施研究

高崇倫，吳進釧，張小雷，許霞

（1. 安徽龍源風力發(fā)電有限公司，安徽 滁州，239200；2. 合肥電力規(guī)劃設(shè)計院 安徽 合肥，230002）

提高低風速風電場發(fā)電量措施研究

高崇倫1，吳進釧1，張小雷1，許霞2

（1. 安徽龍源風力發(fā)電有限公司，安徽 滁州，239200；2. 合肥電力規(guī)劃設(shè)計院 安徽 合肥，230002）

近年來，風資源豐富的區(qū)域受到資源和規(guī)模等因素的限制，人們悄然把目光轉(zhuǎn)向更為廣闊的低風速區(qū)域，而風電機組發(fā)電量直接影響風電場經(jīng)濟效益。安徽來安低風速風電場作為全國首個低風速風電場，至今已運行兩年多。本文針對影響低風速風電場發(fā)電量的因素，制定風電機組各種優(yōu)化方案，對比分析來安風電場各項提升發(fā)電量測試方案的初步結(jié)論，提出進一步提升發(fā)電量的改進措施，為今后風電場設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)運行提供參考。

提高； 低風速風電場；發(fā)電量

0 引言

隨著全球化石能源（煤、石油、天然氣等）的逐漸短缺以及日益嚴峻的氣候變化形勢，風能作為清潔、高效的可再生能源受到世界各國的重視和開發(fā)利用[1]。目前，我國風能開發(fā)主要集中在風能資源豐富的高風速區(qū)域，此類區(qū)域風能資源雖豐富，但由于經(jīng)濟欠發(fā)達,無法消納足夠的風電資源，風電場常出現(xiàn)棄風現(xiàn)象，需通過建設(shè)堅強電網(wǎng)實現(xiàn)大容量的風電送出。風能資源豐富區(qū)和較豐富區(qū)分別占全國面積8%和18%，主要集中在三北地區(qū)(東北、華北、西北)、東南沿海等地，可開發(fā)地域面積較小[2]。因此,人們逐漸將視野移向幅遠遼闊的低風速區(qū)域。

目前，所謂“低風速地區(qū)”在國內(nèi)一般被認為是國家氣象局發(fā)布的我國風能三級區(qū)劃指標體系中第三級區(qū)域，即為風能可利用區(qū)，全國范圍內(nèi)風能可利用區(qū)面積約占全國面積的50%[2]。而大規(guī)模開發(fā)低風速地區(qū)風電經(jīng)驗不足，經(jīng)濟效益前景不明，如何提高低風速地區(qū)發(fā)電量和經(jīng)濟效益成為當今開發(fā)低風速地區(qū)急需解決的問題。

來安風電場作為全國首座大型低風速風電場，擁有兩年多的運行及優(yōu)化經(jīng)驗，本文以來安風電場運行優(yōu)化措施為例，尋找更適合低風速風電機組的優(yōu)化措施，提高低風速地區(qū)發(fā)電量，為低風速地區(qū)風力發(fā)電經(jīng)濟效益提供強有力的保障，為今后大面積開發(fā)低風速地區(qū)提供借鑒經(jīng)驗。

1 風電場基本情況

來安縣地處皖東、江淮之間，為江淮分水嶺，風能資源較豐富[3]。來安風電場是國內(nèi)首個低風速風電場，也是安徽省首個風電場。風電場80m風功率密度等級為1 級，風電場年可利用風速小時數(shù)較多，70m高度在3m/s－25m/s年小時數(shù)為7600h，在4m/s－25m/s年小時數(shù)為6600h。來安風電場位于來安縣北部低山丘陵地區(qū)，分五期建設(shè)，總裝機容量為247.5MW，共有165臺單機1.5MW風電機組，其中132臺A87/1500機組 和33臺B86/1500機 組。2011年1月6日,風電場首臺機組并網(wǎng)發(fā)電。由于安徽省風電開發(fā)規(guī)模小，截至2012年年底，安徽省統(tǒng)調(diào)機組約25000MW，其中風電裝機規(guī)模為300MW，風電裝機占比僅為1.2%。而且，風電場附近有600MW瑯琊山抽水蓄能電站，電網(wǎng)具有很強的調(diào)峰能力。自來安風電場投運以來，所發(fā)電力全額上網(wǎng)，就近消納，沒有發(fā)生過限出力情況[4]。

2 風電機組運行優(yōu)化

從2012年開始，風電場開始最佳槳距角、偏航控制策略優(yōu)化、發(fā)電機“雙模式運行”改造、更換更大葉片等發(fā)電量提升措施項目實驗，并于6月開始陸續(xù)實施各發(fā)電提升措施的實驗。各主要優(yōu)化措施的原理及初步效果說明如下。

2.1 最佳槳距角設(shè)定

由于葉片的制造、安裝與設(shè)計存在誤差，在不同環(huán)境、不同風速下，風的湍流度、風切變都存在差異。這樣將會造成入流角度與設(shè)計入流角度發(fā)生偏差，進而影響風電機組的風能捕獲率。最佳槳距角是通過在不同的風速下設(shè)置不同的槳葉角度，通過對比分析后總結(jié)出一個適合實驗風電機組在不同風速下的最佳槳葉角度設(shè)定。

某1號風電機組最佳槳距角優(yōu)化前后功率曲線對比如圖1所示。

依據(jù)實測結(jié)果，單機發(fā)電量提升大約在1.2%左右。

2.2 偏航控制策略優(yōu)化

偏航是控制風電機組風輪正對來風方向的一種措施，偏航控制的優(yōu)劣將會對風輪有效的掃風面積產(chǎn)生較大影響。風輪有效的掃風面積是正對來風方向的面積，當風輪軸線與來風方向產(chǎn)生夾角后有效掃風面積為風輪掃風面積的余弦值。另外，由于偏航的動作，風電機組在原方向的慣性也將受到一部分的損失。偏航控制策略是當來風方向與風輪軸向夾角超過一定角度時才發(fā)生偏航動作，這個角度稱為容差角。在實際運行中，風向變化比較頻繁，因而容差角的大小與偏航的頻率度之間就存在了矛盾。偏航策略的優(yōu)化就是要找到一個容差角、風向夾角均值，從而增加風能的捕獲能力。

某2號風電機組偏航控制策略優(yōu)化前后功率曲線對比如圖2所示。

依據(jù)實測結(jié)果，單機發(fā)電量提升大約在1.8%左右。為了使提升效果更加明顯，下一步計劃可以繼續(xù)優(yōu)化容差角。

圖1 某1號風電機組最佳槳距角優(yōu)化前后功率曲線對比

圖2 某2號風電機組偏航控制策略優(yōu)化前后功率曲線對比

2.3 發(fā)電機雙模改造

在目前的雙饋發(fā)電機技術(shù)下，發(fā)電機的最低轉(zhuǎn)速為1080r/min，當風速低到不足以維持這個轉(zhuǎn)速時，風電機組將切出。并且雙饋發(fā)電機在低轉(zhuǎn)速下的效率也很低（低于70%）。通過改變發(fā)電機定子的接線方式將雙饋發(fā)電機改為鼠籠發(fā)電機，三分之一變頻變?yōu)槿β首冾l。在鼠籠模式下可以降低發(fā)電機轉(zhuǎn)速，從而減少機械損耗、提高發(fā)電機效率，進而提高在低風速下的發(fā)電量。

某3號風電機組發(fā)電機雙模改造前后功率曲線對比如圖3所示。

根據(jù)實測結(jié)果，單機發(fā)電量提升大約在0.9%。從目前的數(shù)據(jù)上看，在風速為4m/s－5m/s段發(fā)電量低于改造前，主要原因為在這個階段發(fā)生發(fā)電機模式切換。

目前采取繼續(xù)優(yōu)化程序，以使單機發(fā)電量得到進一步的提高。

2.4 降低風電機組自耗電

風電機組上有很多的電機需要耗電，通過設(shè)置合理的參數(shù)控制各電機的開啟時機，從而減少風電機組自耗電量。目前主要通過改變發(fā)電機冷卻風扇啟動控制，優(yōu)化齒輪箱潤滑泵的啟動策略來降低風電機組的自耗電。

目前測試的兩臺初步效果單機發(fā)電量提升大約在0.36%左右和0.96%左右。

2.5 更換更大葉片

加長葉片，可以增加葉輪掃風面積，從而增加風能捕獲。為增強低風速風電機組的發(fā)電能力，進一步提高低風速地區(qū)風電場的生產(chǎn)水平，選取某4號A87/1500風電機組作為試驗機組并更換較長葉片，更換后的機組葉輪直徑從87m增加至93m。選取某4、某5兩臺相鄰切海拔相同的兩臺機組作對比。93m葉輪與87m葉輪機型理論功率曲線對比如圖4所示。

某4號風電機組更換93m葉輪后與某5號風電機組（型號A87/1500）功率曲線對比見圖5。

圖3 某3號風電機組發(fā)電機雙模改造前后功率曲線對比

圖4 93m葉輪與87m葉輪機型理論功率曲線對比

圖5 某4號風電機組更換93m葉輪后與某5號風電機組功率曲線對比

從功率曲線可以看出，某4號風電機組更換93m葉輪后功率曲線明顯優(yōu)于某5號風電機組，通過2012年7月22日至2013年3月28日期間的實際功率曲線對比，某4號更換葉輪機組在風速低于5m/s時， 93m葉輪風電機組與87m葉輪功率曲線相當。風速在6m/s以上，93m葉輪風電機組功率開始明顯上升。在高風速段發(fā)電能力較好，并且較早切入到滿發(fā)狀態(tài)，如圖5所示。同時，根據(jù)風頻數(shù)據(jù)，統(tǒng)計期內(nèi)5m/s及以上風速出現(xiàn)概率超過68%。通過2012年7月22日至2013年3月28日期間的統(tǒng)計,初步結(jié)果認為某4號機組發(fā)電能力提升6%左右。更換大葉片成為提升低風速地區(qū)風電機組發(fā)電量的最直接有效方法。

93m葉輪直徑的風電機組將啟動風速降至1.5m/s，從而使得占我國風資源30%的超低風速地區(qū)的風資源得以有效開發(fā)。根據(jù)遠景公司公開數(shù)據(jù)顯示，其93m葉輪直徑機組基于87m葉輪直徑機組開發(fā)而成，掃風面積增加13.2%，在年平均風速5.5m/s情況下能夠提升發(fā)電量9%左右[5]。

另外，有消息稱，Suzlon公司于2012年6月推出一款型號為S111-2.1MW的風電機組。據(jù)稱，該機組與同類機組相比能夠提高29%的電力輸出。而Gamesa發(fā)布了一款2.0MW低風速機型，這款葉輪直徑達114m的機組與同類型97m葉輪直徑機型相比，掃風面積增大了38%[5]。

3 其他優(yōu)化措施

3.1 機組廠家對風電機組功率曲線進行優(yōu)化改進

從風電機組運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出，兩個機組廠家的風電機組功率曲線均存在一定的離散性，而且在接近額定風速附近，兩種風電機組的實際發(fā)電功率曲線均低于保證功率曲線。所以，下一步可以督促機組廠家對機組進一步排查，根據(jù)相對功率曲線排名，進一步優(yōu)化改進。

3.2 發(fā)電量較低的機位進行移機

對于發(fā)電量較低的機位，主要原因是地理位置風資源高估造成。這部分機位通過機組技術(shù)改進和更換長葉片的辦法，提高電量非常有限，可以采取移機的辦法把機組移到風資源較好的地區(qū)或者增加塔筒高度的方法提高發(fā)電量。

3.3 加強生產(chǎn)管理，做到應發(fā)必發(fā)

在低風速風場中，任何一個環(huán)節(jié)的紕漏對發(fā)電量的影響都較大。在來安風電場存在諸如風向標的誤差、槳距角不能復位等原因?qū)е碌膸着_發(fā)電量明顯降低的機組。因此，低風速風電場應實施精細化管理，向生產(chǎn)要效益，加強生產(chǎn)運行分析，優(yōu)化運行參數(shù)和控制策略，重視場用電和風電機組自耗電的管理工作，深入挖潛增效。

[1]Gadian,A,Dewsbury,J. Directional persistence of low wind speed observations[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2004，92（12）: 1061—1074.

[2] 張志英,趙萍,李銀鳳,劉萬琨.風能與風力發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社，2010.

[3] 王清,許斌.安徽省風力電場規(guī)劃[J].電力經(jīng)濟技術(shù)，2006,12 (6):48-50.

[4] 吳功高,葉中雄,姚明,等.安徽電網(wǎng)接納風電能力的分析研究[J].華東電力,2011, 39（6）: 997-999.

[5] 趙靚.低風速型風電機組發(fā)展調(diào)查[J].風能, 2012（12）:54-56.

Analysis of Measures in Improving the Wind Power Generation Capacity in Low Wind Speed Wind Farm

GaoChonglun1, Wu Jinchuan1, Zhang Xiaolei1, Xu Xia2
（1. Anhui Longyuan Wind Power Co.,Ltd., Chuzhou Anhui 239200, China；
2. Hefei Planning and Design Institute of Electric Power, Hefei Anhui 230002, China）

In recent years, wind resource in rich region is limited by the resources and scale factors, people quietly turned to broader area of low wind speed, wind turbine power generation directly impacted on the economic efficiency of wind farms. As the country's first low speed wind electric field, Anhui Laian low speed wind farms has been running for two years, according to the factors that affect low speed wind farm generating capacity, this paper analyzed various wind turbine optimization programs and the power generation test solutions, then provided a reference for future wind farm design, construction, production and operation.

improve; low wind speed wind farm; generation capacity

TM614

A

1674-9219（2013）08-0056-04

2013-04-17。

高崇倫（1982-），男，學士，助理工程師，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)工作。

吳進釧（1975-）男，學士，工程師，主要從事新能源發(fā)電企業(yè)管理和技術(shù)工作。

張小雷（1985-），男，學士，助理工程師，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)工作。

許霞（1988-），女，學士，助理工程師，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)設(shè)計工作。