布拉夫角風(fēng)電場扇區(qū)管理優(yōu)化分析

文 | 李早，高輝

文 | 李早，高輝

扇區(qū)管理技術(shù)就是對風(fēng)電機(jī)組在某預(yù)先設(shè)定的時段、風(fēng)向、風(fēng)速區(qū)間上實(shí)施順槳、停機(jī)操作，其目的是在特殊風(fēng)況下，降低風(fēng)電機(jī)組載荷或減小由于湍流造成的振動對風(fēng)電機(jī)組設(shè)備及葉片的危害，以降低發(fā)電量為代價確保風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行。扇區(qū)管理技術(shù)在國外風(fēng)電場的應(yīng)用已較為成熟，知名的風(fēng)電機(jī)組制造商，如維斯塔斯、西門子等都擁有完整的技術(shù)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

我國大規(guī)模的風(fēng)電開發(fā)始于2007年，近幾年發(fā)展勢頭迅猛，已連續(xù)五年裝機(jī)排名世界第一。但在國內(nèi)風(fēng)電場的設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行中，裝機(jī)容量、發(fā)電量、投資額往往是關(guān)注的重點(diǎn)，對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性相對關(guān)注較少，對風(fēng)電場扇區(qū)管理技術(shù)和方法鮮有報(bào)道。

然而，隨著風(fēng)電開發(fā)的突飛猛進(jìn)，可供選擇的地勢平坦、風(fēng)能資源豐富、風(fēng)況穩(wěn)定的大型風(fēng)電場場址已較為稀缺。新建風(fēng)電場選址密集，在實(shí)際運(yùn)行中往往出現(xiàn)設(shè)計(jì)階段未曾考慮的嚴(yán)重尾流疊加效應(yīng)，可能導(dǎo)致個別風(fēng)電機(jī)組在某個風(fēng)速、風(fēng)向的特殊風(fēng)況下出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)值的疲勞載荷或極限載荷，從而影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行。同時，由于電網(wǎng)接入、消納問題，大型風(fēng)電場的棄風(fēng)限電問題較為嚴(yán)重，越來越多的風(fēng)電場選擇在沿海山地或內(nèi)陸山地等靠近負(fù)荷中心的區(qū)域開發(fā)。此類地區(qū)地形條件復(fù)雜，對于個別特殊地理?xiàng)l件的機(jī)位，在某些風(fēng)況下，容易產(chǎn)生較大的湍流，影響機(jī)組安全運(yùn)行。我國南方某風(fēng)電場就曾發(fā)生過由于地形原因，造成個別機(jī)位湍流強(qiáng)度過大，引起風(fēng)電機(jī)組振動，導(dǎo)致機(jī)艙與塔筒連接螺栓斷裂，險(xiǎn)些發(fā)生重大事故的案例。

冗余過大的扇區(qū)管理設(shè)置容易造成不必要的發(fā)電量損失，有必要根據(jù)風(fēng)電場的實(shí)際運(yùn)行情況對扇區(qū)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。本文介紹了澳大利亞布拉夫角風(fēng)電場的扇區(qū)管理設(shè)置，并通過分析與風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)的風(fēng)電機(jī)組故障報(bào)警，確定風(fēng)電機(jī)組異常振動的高發(fā)扇區(qū)，在最大限度減小發(fā)電量損失的前提下優(yōu)化扇區(qū)設(shè)置，既提高了扇區(qū)設(shè)置的合理性、減少了發(fā)電量損失，又保證了機(jī)組的安全運(yùn)行。

布拉夫角風(fēng)電場扇區(qū)管理現(xiàn)狀

一、扇區(qū)管理技術(shù)

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組在某特殊風(fēng)況下工作時，如極大風(fēng)速、湍流強(qiáng)度或機(jī)組入流角大于設(shè)計(jì)值時，可能會造成風(fēng)電機(jī)組葉片、輪轂、機(jī)艙、塔筒等重要部件發(fā)生嚴(yán)重的振動、不均勻受力或扭轉(zhuǎn)的情況，使得機(jī)組整體或局部發(fā)生疲勞載荷或極限載荷超出設(shè)計(jì)值的情況，對風(fēng)電機(jī)組設(shè)備造成損害。扇區(qū)管理技術(shù)就是在特殊風(fēng)況頻發(fā)的特定時段、風(fēng)向、風(fēng)速的扇區(qū)內(nèi)，對風(fēng)電機(jī)組實(shí)施順槳停機(jī)，降低特殊風(fēng)況對風(fēng)電機(jī)組的損害，以降低發(fā)電量為代價，保證風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行。

影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的風(fēng)況參數(shù)主要有平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和入流角度等，其中過大的湍流會造成風(fēng)電機(jī)組異常振動，是扇區(qū)管理的重點(diǎn)。

風(fēng)電機(jī)組承受的有效湍流強(qiáng)度由環(huán)境湍流強(qiáng)度和風(fēng)電機(jī)組尾流產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度兩部分組成。某區(qū)域內(nèi)異常的環(huán)境湍流強(qiáng)度主要由突發(fā)極端氣候或復(fù)雜地形使穩(wěn)定氣流發(fā)生擠壓、加速、紊亂，從而造成湍流強(qiáng)度發(fā)生顯著變化所引起。對于風(fēng)電場而言，要求湍流強(qiáng)度值不超過0.25。對于正常湍流模型（NTM），湍流強(qiáng)度可由下式給出：

表1 風(fēng)電機(jī)組等級基本參數(shù)

其中：IT為湍流強(qiáng)度，Vhub為輪轂高度處10min平均風(fēng)速，b＝5.6m/s，Iref為風(fēng)速為15m/s時湍流強(qiáng)度的期望值，可根據(jù)風(fēng)電機(jī)組等級按表1選取。

極端風(fēng)況下湍流強(qiáng)度計(jì)算見GB/T 18451.1－2012。

二、布拉夫角風(fēng)電場扇區(qū)管理

布拉夫角風(fēng)電場位于澳大利亞塔斯馬尼亞州西北角，總裝機(jī)容量6.475萬kW，安裝37臺維斯塔斯V66風(fēng)電機(jī)組，單機(jī)容量1.75MW，葉輪直徑66m，塔高67m。風(fēng)電場地處南緯40度至49度之間的西風(fēng)帶，風(fēng)能資源非常豐富，是全球容量系數(shù)最高的風(fēng)電場之一，年平均風(fēng)速11m/s，主風(fēng)向SW。

風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組排布如圖1所示，場內(nèi)地勢較為平坦，風(fēng)電機(jī)組整體排布臨近沿海。由于沿海峭壁海灣地形較為復(fù)雜，在特殊風(fēng)況下會對氣流產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，風(fēng)電場投產(chǎn)運(yùn)行后，部分機(jī)位出現(xiàn)了機(jī)艙振動、葉片舞動的現(xiàn)象。針對這種情況，風(fēng)電場對葉片舞動較為劇烈的CB、EE風(fēng)電機(jī)組實(shí)施了扇區(qū)管理，見表2。同時，在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)安裝了加速度儀，以更精確地掌握風(fēng)電機(jī)組振動規(guī)律。

扇區(qū)管理優(yōu)化

一、扇區(qū)管理優(yōu)化思路

在風(fēng)電場設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)各機(jī)位處湍流強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行扇區(qū)管理設(shè)置。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，由于復(fù)雜氣流、復(fù)雜地形以及尾流疊加等因素的影響，實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)工況往往存在差異，這就需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，不斷優(yōu)化調(diào)整扇區(qū)管理設(shè)置。

圖1 布拉夫角風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組排布圖

圖2 CB、EE機(jī)位風(fēng)玫瑰圖

表2 CB、EE風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)有扇區(qū)管理

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行期間，當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)組在某風(fēng)況下出現(xiàn)異常振動時，可以根據(jù)實(shí)際情況實(shí)施扇區(qū)管理，統(tǒng)計(jì)分析與風(fēng)向、風(fēng)速相關(guān)的故障報(bào)警，確定故障報(bào)警頻發(fā)的風(fēng)況，從而科學(xué)地優(yōu)化扇區(qū)設(shè)置。扇區(qū)優(yōu)化的思路包括：

（1）分析擬優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組機(jī)位的風(fēng)況分布，得出風(fēng)玫瑰圖，確定現(xiàn)有扇區(qū)管理對風(fēng)頻的覆蓋比例；

（2）統(tǒng)計(jì)分析與風(fēng)向、風(fēng)況有關(guān)的風(fēng)電機(jī)組異常振動造成的故障報(bào)警長期數(shù)據(jù)，確定故障報(bào)警頻發(fā)的風(fēng)向扇區(qū)和風(fēng)速區(qū)間；

（3）根據(jù)故障報(bào)警分布規(guī)律，優(yōu)化扇區(qū)設(shè)置。優(yōu)化的原則是在最大限度覆蓋異常報(bào)警扇區(qū)的前提下盡量減少扇區(qū)覆蓋面積，同時應(yīng)盡量避開機(jī)位主風(fēng)向。

二、布拉夫角風(fēng)電場扇區(qū)管理優(yōu)化

圖2為布拉夫角風(fēng)電場CB、EE機(jī)位的風(fēng)玫瑰圖，可以看出西南風(fēng)是主風(fēng)向。由于地理位置不同，兩個機(jī)位風(fēng)頻分布略有差異，EE機(jī)位的西南風(fēng)頻顯著大于CB機(jī)位。現(xiàn)有扇區(qū)管理設(shè)置分別覆蓋CB、EE風(fēng)電機(jī)組總風(fēng)頻的14%和23%，由于扇區(qū)管理設(shè)置，CB、EE風(fēng)電機(jī)組的年平均可利用率分別為84%、78%，顯著低于風(fēng)電場年平均可利用率97%。

在某特殊風(fēng)況下產(chǎn)生的過大湍流會造成風(fēng)電機(jī)組發(fā)生異常振動，加速度儀會在振動幅值超過限值時向系統(tǒng)發(fā)出偏航保護(hù)報(bào)警（故障代碼891）。另外，由于湍流風(fēng)的作用，風(fēng)電機(jī)組葉片頻繁變槳，從而觸發(fā)液壓系統(tǒng)低壓報(bào)警（故障代碼163）。因此分析這兩種故障報(bào)警的分布規(guī)律就可以確定引起過大湍流強(qiáng)度的風(fēng)向扇區(qū)和風(fēng)速區(qū)間，從而更精確的設(shè)置扇區(qū)管理。

CB、EE風(fēng)電機(jī)組在一年內(nèi)發(fā)生891和163故障報(bào)警情況如下表3。值得一提的是，不僅故障發(fā)生時的風(fēng)向、風(fēng)速需要分析，在故障造成停機(jī)時間內(nèi)的風(fēng)向、風(fēng)速可以認(rèn)為是位于引起較大湍流強(qiáng)度的風(fēng)況區(qū)間內(nèi)，也應(yīng)予以記錄，本文以停機(jī)時間內(nèi)10min平均風(fēng)向、風(fēng)速頻次作為分析基礎(chǔ)。

圖3為891、163故障報(bào)警扇區(qū)分布以及現(xiàn)有扇區(qū)管理位置，分析如下：

圖3 故障報(bào)警分布和扇區(qū)管理優(yōu)化

表3 CB、EE故障報(bào)警統(tǒng)計(jì)

表4 CB、EE風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化后扇區(qū)管理

對于CB風(fēng)電機(jī)組（圖3a），現(xiàn)有扇區(qū)管理覆蓋了51%的891故障報(bào)警以及95%停機(jī)時間內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向頻次。由圖3a可以看出，在現(xiàn)有扇區(qū)設(shè)置范圍內(nèi)，風(fēng)向在200°－230°之間時，故障報(bào)警發(fā)生次數(shù)較少，并且處于主風(fēng)向范圍內(nèi)，可以減小扇區(qū)管理面積。同時，風(fēng)速大于10m/s、風(fēng)向在250°－260°的區(qū)間是891故障報(bào)警高發(fā)區(qū)，應(yīng)設(shè)置扇區(qū)管理。

對于EE風(fēng)電機(jī)組（圖3b），現(xiàn)有扇區(qū)覆蓋了22%的891故障報(bào)警、85%的891故障停機(jī)時間內(nèi)的風(fēng)向風(fēng)速頻次，以及28%的163故障、22%的163故障停機(jī)時間內(nèi)的風(fēng)向風(fēng)速頻次。由圖3b可以看出，在現(xiàn)有扇區(qū)設(shè)置范圍內(nèi)，當(dāng)風(fēng)速大于15m/s，風(fēng)向在290°－340°區(qū)間內(nèi)，故障發(fā)生較少，可以取消該扇區(qū)設(shè)置。同時，無論是891還是163故障，風(fēng)速5m/s－12.5m/s、風(fēng)向250°－280°以及風(fēng)速大于5m/s，風(fēng)向220°－250°是故障報(bào)警的高發(fā)區(qū)域，應(yīng)設(shè)置扇區(qū)管理。

根據(jù)以上分析，對CB、EE風(fēng)電機(jī)組扇區(qū)管理進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的扇區(qū)管理設(shè)置見表4。

對于CB風(fēng)電機(jī)組，優(yōu)化后的扇區(qū)管理能夠覆蓋61%的891故障報(bào)警、85%的891停機(jī)時間內(nèi)風(fēng)向風(fēng)速頻次。同時，覆蓋的總風(fēng)頻比例降低至10.2%，年平均可利用率可提高至88%。

對于EE風(fēng)電機(jī)組，優(yōu)化后的扇區(qū)管理能夠覆蓋80%的891故障報(bào)警、86%的891停機(jī)時間內(nèi)風(fēng)向風(fēng)速頻次，以及86%的163報(bào)警、89%的163停機(jī)時間內(nèi)風(fēng)向風(fēng)速頻次。同時，覆蓋的總風(fēng)頻比例降低至20%，年平均可利用率提高至81%。

結(jié)語

根據(jù)風(fēng)電場的實(shí)際運(yùn)行情況對扇區(qū)管理進(jìn)行優(yōu)化，能夠在盡量減少扇區(qū)管理技術(shù)造成發(fā)電損失的同時保障風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行。本文介紹了基于故障報(bào)警統(tǒng)計(jì)分析的扇區(qū)管理優(yōu)化方法，并以澳大利亞布拉夫角風(fēng)電場為例，詳細(xì)說明了優(yōu)化過程。分析表明，通過分析與風(fēng)況有關(guān)的故障報(bào)警從而對扇區(qū)管理進(jìn)行優(yōu)化，可以更科學(xué)地優(yōu)化扇區(qū)設(shè)置，增加扇區(qū)對故障頻發(fā)區(qū)域的覆蓋面積，并降低對總風(fēng)頻的覆蓋，提高風(fēng)電機(jī)組可利用率和發(fā)電量。