風(fēng)電機(jī)組出力性能分析方法研究

蘭維，張中泉，雷陽(yáng)，劉慶超，葉小廣（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

風(fēng)電機(jī)組出力性能分析方法研究

蘭維，張中泉，雷陽(yáng)，劉慶超，葉小廣
（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

風(fēng)電機(jī)組的出力性能等直接影響了風(fēng)電場(chǎng)的效益，利用風(fēng)電機(jī)組的SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行出力性能分析，主要包括發(fā)電量分析、功率曲線(xiàn)分析、基于MTBF和MTTR的可靠性分析等。依托云南某風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行分析，可找出機(jī)組出力性能較差的機(jī)組并初步對(duì)該類(lèi)機(jī)組進(jìn)行定性分析，為下一步進(jìn)行各系統(tǒng)性能分析提供方向和參考建議。

風(fēng)電場(chǎng)；風(fēng)電機(jī)組；出力性能；功率曲線(xiàn)；MTBF；MTTR

0 引言

為解決地球環(huán)境污染和能源匱乏日益加重的問(wèn)題，發(fā)展無(wú)污染、可再生的風(fēng)能是有效的途徑之一[1]。風(fēng)電機(jī)組的出力性能是保證風(fēng)電管理企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行和發(fā)展規(guī)劃的決定因素[2]。

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組出力性能分析評(píng)估的研究，現(xiàn)國(guó)際國(guó)內(nèi)尚未達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或方法，相關(guān)研究也較少[3]。風(fēng)電機(jī)組出力性能分析主要存在以下難點(diǎn):1）機(jī)組由塔筒、葉片、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、傳動(dòng)鏈、電氣系統(tǒng)和主控系統(tǒng)等組成[4]，每個(gè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的性能均有直接影響。如果進(jìn)行準(zhǔn)確定位分析，需對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，難度較大。2）由于成本原因，機(jī)組安裝較少傳感器從而導(dǎo)致可分析的數(shù)據(jù)有限，故需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘。

在有限的運(yùn)行數(shù)據(jù)背景下，對(duì)機(jī)組進(jìn)行有效的出力性能分析具有較大挑戰(zhàn)。利用機(jī)組S CA D A系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行出力性能分析，找出出力性能較差的機(jī)組并進(jìn)行原因排查，為下一步各系統(tǒng)的性能分析提供方向和參考依據(jù)。

1 風(fēng)電機(jī)組出力性能分析方法

1.1 出力性能的影響因素

風(fēng)電機(jī)組出力性能的影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜[3]，但可分為外部和機(jī)組自身因素兩方面。

（1）外部因素主要有風(fēng)況、環(huán)境等。風(fēng)況包括風(fēng)速大小、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變等。環(huán)境主要有溫度、濕度和大氣壓力等。

（2）機(jī)組自身因素包含有偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、傳動(dòng)鏈系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和主控系統(tǒng)等。比如偏航不對(duì)風(fēng)、變槳不同步等問(wèn)題較為常見(jiàn)。

1.2 出力性能的分析思路

由于國(guó)內(nèi)多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)（特別是“三北地區(qū)”）各機(jī)組所處地形較為相似，利用機(jī)組S CA D A系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，通過(guò)發(fā)電量、功率曲線(xiàn)和可靠性等分析，找出造成發(fā)電量、功率曲線(xiàn)、可靠性較差或三者之間各種組合的影響因素，分析流程如圖1所示。其中發(fā)電量分析包括機(jī)組發(fā)電量和平均風(fēng)速的對(duì)比。功率曲線(xiàn)分析主要參照I E C61400-12-1[5]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1.3 基于MTB F和MTT R的可靠性分析

可靠性與機(jī)組的設(shè)計(jì)制造水平、使用條件、所處環(huán)境、運(yùn)行時(shí)間和零部件退化等因素有關(guān)，具有特殊、時(shí)變等特點(diǎn)，它是反映風(fēng)電機(jī)組性能和運(yùn)行維護(hù)水平的關(guān)鍵指標(biāo)之一[6-8]。

可靠性指標(biāo)主要包括故障率、MTBF、MTTR和可利用率，對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行分析，可以初步確定存在故障較多或性能更為可靠的風(fēng)電機(jī)組。

（1）故障率指在一段時(shí)間內(nèi)機(jī)組故障時(shí)間與總時(shí)間的比值，計(jì)算公式如下:

式中λ—故障率，%；

T—某一段分析數(shù)據(jù)的總時(shí)間，h；

T1—故障時(shí)間，h。

（2）MTBF是指相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間，它反映了風(fēng)電機(jī)組的時(shí)間質(zhì)量，是體現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的一種能力，計(jì)算公式如下:

式中N—故障次數(shù)，n。

（3）MTTR是指平均修復(fù)時(shí)間，它反映了風(fēng)電機(jī)組的故障修復(fù)能力，是衡量風(fēng)電機(jī)組的可維護(hù)性的一項(xiàng)指標(biāo)。計(jì)算公式如下:

（4）機(jī)組可利用率指每年機(jī)組實(shí)際使用時(shí)間占計(jì)劃用時(shí)的百分比，計(jì)算公式如下:

B—非投標(biāo)人責(zé)任的停機(jī)小時(shí)數(shù)，h。

停機(jī)小時(shí)數(shù)B不包括以下情況:1）電網(wǎng)故障；2）氣象條件超出技術(shù)規(guī)范規(guī)定的運(yùn)行范圍；3）不可抗力等。以上情況如有兩種或者兩種以上同時(shí)發(fā)生，只計(jì)其中較長(zhǎng)一種情況。

圖1 機(jī)組出力性能分析流程

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)背景

云南紅河州某風(fēng)電場(chǎng)共安裝33臺(tái)1.5MW的M Y1.5S-82型風(fēng)電機(jī)組，于2013年5月份完成風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。近幾年，部分風(fēng)電機(jī)組出力性能不佳，多數(shù)機(jī)組出現(xiàn)各種類(lèi)型的故障，需進(jìn)行出力性能等相關(guān)分析以找出問(wèn)題所在。

2.2 數(shù)據(jù)采集和剔除

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)是從風(fēng)電機(jī)組S CA D A系統(tǒng)中采集到的，采集時(shí)間為2016年10月1日至11月31日，數(shù)據(jù)為30秒平均值。數(shù)據(jù)包含機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)值、風(fēng)速、錯(cuò)風(fēng)角、功率、變槳角度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)限電狀態(tài)等。

實(shí)驗(yàn)在相同條件下采集了黑火藥及液化石油氣的拉曼光譜圖像，且各樣品圖像經(jīng)過(guò)多次重復(fù)。通過(guò)光譜數(shù)值比較發(fā)現(xiàn)：樣品2#煤氣罐上方木橫條、樣品4#煤氣罐左側(cè)儲(chǔ)物頂面織物、樣品5#煤氣罐減壓閥與黑火藥有相近的基團(tuán)；樣品3#煤氣罐右側(cè)儲(chǔ)物箱木條與液化石油氣有相似近的基團(tuán)。

2.2.2 數(shù)據(jù)剔除

數(shù)據(jù)參考I E C61400-12-1相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并按照以下原則剔除測(cè)風(fēng)儀異常情況、停機(jī)、故障時(shí)間段內(nèi)之外等的數(shù)據(jù)。需剔除以下數(shù)據(jù):

（1）風(fēng)速以外的其他外部條件超出風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行范圍；

（2）風(fēng)電機(jī)組故障引起風(fēng)電機(jī)組停機(jī)；

（3）在維護(hù)運(yùn)行中人工停機(jī)；

（4）棄風(fēng)限電期間數(shù)據(jù)；

（5）其他異常情況。

2.3 風(fēng)電機(jī)組出力性能

2.3.1 發(fā)電量

將33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的每臺(tái)機(jī)組發(fā)電量、平均風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。

圖2 33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組總發(fā)電量

由上圖可知，發(fā)電量最差的機(jī)組有12#、22#、26#、30#、31#和32#，較差的機(jī)組有17#、20#、21#、23#、24#、25#、29#。風(fēng)電機(jī)組平均風(fēng)速最差的機(jī)組有22#、26#、31#和32#，較差的機(jī)組有1#、2#、3#、9#、12#、21#、23#、24#、27#、29#和30#。

由于影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的因素較多，一般影響因素包括有:風(fēng)況、地形、故障、限電、檢修停機(jī)、機(jī)組出力、偏航性能、變槳性能、振動(dòng)等。由于11月，風(fēng)電場(chǎng)未存在限電情況，故限電因素首先排除。下文將結(jié)合功率曲線(xiàn)以及可靠性的分析以找出上述風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量較差的原因。

2.3.2 功率曲線(xiàn)對(duì)比

功率曲線(xiàn)是風(fēng)電機(jī)組出力性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。功率曲線(xiàn)的常用分析方法是采用b in方法進(jìn)行分區(qū)間處理。即風(fēng)速范圍劃分為以0.5m/s整數(shù)倍的風(fēng)速為中心，左右各0.25m/s的連續(xù)區(qū)間，功率、錯(cuò)風(fēng)角、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)分區(qū)間方法均同。

依據(jù)數(shù)據(jù)剔除方法取正常并網(wǎng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并利用b in方法進(jìn)行分區(qū)間處理后，得到33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的功率曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組功率曲線(xiàn)對(duì)比圖

由上圖可知，功率曲線(xiàn)最差的風(fēng)電機(jī)組有7#、12#、9#、25#和30#，一般的風(fēng)電機(jī)組有6#、8#、10#、11#、22#、29#和33#，最好的為19#風(fēng)電機(jī)組。其中12#機(jī)組功率曲線(xiàn)較差的原因是由于振動(dòng)原因被廠家改變其控制策略而導(dǎo)致的。

2.3.3 可靠性

對(duì)33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行可靠性分析，由于可利用率差異較小，故暫不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（1）故障率

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。

由圖表可知，8#、21#、27#和31#風(fēng)電機(jī)組故障率較高，但均小于2%，其他風(fēng)電機(jī)組故障率一般。由于7#和12#風(fēng)電機(jī)組由于振動(dòng)停機(jī)，不在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。

圖4 33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組故障率

（2）MTBF

對(duì)33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行MTBF統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組MTBF統(tǒng)計(jì)

由圖表可知，MTBF較低的機(jī)組有7#、8#、9#、12#、15#、16#、21#、22#、26#、27#和31#。其中MTBF為744h表示該風(fēng)電機(jī)組在744h內(nèi)無(wú)故障。

（3）MTTR

將33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的MTTR統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

由圖可知，MTTR較高的機(jī)組有2#、4#、9#、10#、14#、21#、27#、29#、31#和32#。

由統(tǒng)計(jì)的故障率、MTBF和MTTR的結(jié)果可知，可靠性較差的風(fēng)電機(jī)組有8#、9#、10#、14#、21#、27#和31#。

2.3.4 地形

由分析可知，發(fā)電量和功率曲線(xiàn)并非一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。功率曲線(xiàn)是基于S CA D A系統(tǒng)得到的，未考慮湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變等地形的因素，故影響發(fā)電量較差的因素包括地形、風(fēng)電機(jī)組可靠性、故障、限電、檢修等。

風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組所處地形如圖7所示。

分析地形發(fā)現(xiàn)，除16#、17#、21#、22#、26#和30#風(fēng)電機(jī)組所處地形較為平坦外，其他風(fēng)電機(jī)組所處地形均較為復(fù)雜。

圖6 33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組MTTR統(tǒng)計(jì)

2.4結(jié)論

結(jié)合發(fā)電量、平均風(fēng)速、功率曲線(xiàn)、可靠性和地形情況可初步認(rèn)為:

（1）發(fā)電量最好的機(jī)組有:4#、5#、6#、13#、14#、18#、19#和28#；其原因是由于所處風(fēng)況較好且可能機(jī)組運(yùn)行故障較少。

（2）發(fā)電量一般的機(jī)組有:1#、2#、3#、8#、10#、11#、15#、16#、20#、21#、24#、26#、27#、29#、32#和33#；其中8#、10#、21#和27#風(fēng)電機(jī)組存在故障較多或故障修復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，其他風(fēng)電機(jī)組所處風(fēng)況較差。

（3）發(fā)電量較差的機(jī)組有:7#、9#、12#、17#、22#、23#、25#、30#和31#；其中7#和12#機(jī)組發(fā)電量較差原因在于振動(dòng)問(wèn)題，9#、25#和30#機(jī)組存在出力性能較差

圖7 風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組地形圖

（可能是偏航、變槳或其他原因，偏航和變槳分析可參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]），9#、14#和31#存在故障較多或故障修復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)國(guó)際國(guó)內(nèi)尚未對(duì)風(fēng)電機(jī)組出力性能分析達(dá)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或方法。出力性能分析存在以下難點(diǎn):1）風(fēng)電機(jī)組組成系統(tǒng)繁多，每個(gè)系統(tǒng)直接影響其出力性能，需對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，難度較大；2）機(jī)組有限的傳感器導(dǎo)致S CA D A系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)較少，且精度較低，加大了分析的難度。

利用風(fēng)電機(jī)組的S CA D A系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行各機(jī)組橫向?qū)Ρ?，通過(guò)發(fā)電量和平均風(fēng)速對(duì)比分析、功率曲線(xiàn)分析、基于故障率、MTBF、MTTR、可利用率的可靠性分析，可找出機(jī)組出力性能較差的機(jī)組并初步對(duì)該類(lèi)機(jī)組進(jìn)行定性分析，為下一步進(jìn)行各系統(tǒng)性能分析提供方向和參考建議。

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Study on Output Performance Analysis of Wind Turbine

LAN Wei，ZHANG Zhong-quan，LEI Yang，LIU Qing-chao，YE Xiao-guang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

T h e out p ut p er f ormance o f w in d tur b ine d irectly a ff ect s b ene f it o f w in d f arm s.U s in g t h e d ata o f S CA D A s y s tem o f w in d tur b ine s，t h e out p ut p er f ormance analy s i s mainly inclu d e s p o w er g eneration analy s i s, p o w er cur v e analy s i s，relia b ility analy s i s b a s e d on MTBF an d MTTR，etc.B y analy z in g a w in d f arm in Y unnan, w e can f in d out w in d tur b ine s w it h p oor p er f ormance an d ma k e corre sp on d in g qualitati v e analy s i s.Furt h ermore, d irection an d re f erence s u gg e s tion s f or t h e f ollo w e d s y s tem p er f ormance analy s i s can b e p ro v i d e d.

w in d f arm；w in d tur b ine；out p ut p er f ormance；p o w er cur v e；MTBF；MTTR

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.03.007

TM614

B

2095-3429（2017）03-0026-04

2017-03-27

修回日期：2017-05-24

蘭維（1981-），男，江西萍鄉(xiāng)人，工程師，主要從事新能源技術(shù)監(jiān)督、檢測(cè)診斷技術(shù)、技改后評(píng)估、風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的研究。