風(fēng)機(jī)功率提升-風(fēng)速計(jì)改造及機(jī)組控制策略優(yōu)化

李建華

摘要：目前，可再生能源的發(fā)展得到的世界各國(guó)的高度重視，以風(fēng)電為首的低碳清潔能源在電網(wǎng)中的比例越來越高，并且有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。但是，相較傳統(tǒng)能源發(fā)電形式，風(fēng)力發(fā)電的成本仍相對(duì)較高。因此，分析機(jī)組發(fā)電性能，提升機(jī)組發(fā)電能力，可以提升風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行效率，增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電成本與化石燃料發(fā)電成本的競(jìng)爭(zhēng)能力，改善風(fēng)場(chǎng)開發(fā)商的經(jīng)濟(jì)效益。

Abstract： At present， the development of renewable energy is highly valued by countries all over the world. The proportion of low-carbon clean energy led by wind power in the power grid is getting higher and higher， and there is a trend of further development. However， the cost of wind power generation is still relatively high compared to traditional forms of energy generation. Therefore， analyzing the power generation performance of the unit and improving the power generation capacity of the unit can improve the operating efficiency of the wind farm， enhance the competitiveness of wind turbine power generation costs and fossil fuel power generation costs， and improve the economic benefits of wind farm developers.

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;風(fēng)速計(jì);風(fēng)機(jī)功率;優(yōu)化

Key words： wind power;anemometer;fan power;optimization

中圖分類號(hào)：TM315 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）30-0155-02

0 ?引言

鑒于風(fēng)力發(fā)電的環(huán)保性，近些年我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也非常迅猛，但是隨著產(chǎn)業(yè)的大跨步向前邁進(jìn)，許多問題也逐漸凸顯出來，例如標(biāo)準(zhǔn)體系相對(duì)滯后、鋪設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的成本過高、配套能力稍顯劣勢(shì)以及風(fēng)力發(fā)電自主創(chuàng)新能力不夠等等。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理中的功率曲線驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)路線不清晰、非常具有技術(shù)難度，而在這方面國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)也并不完善無從參考，更新速度較慢，從而制約了行業(yè)的發(fā)展腳步。

①風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)和投運(yùn)前，機(jī)組的轉(zhuǎn)矩是在理論情況下計(jì)算的（通常只能采用標(biāo)準(zhǔn)空氣密度進(jìn)行計(jì)算），這意味著所計(jì)算出的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩表只有在理想環(huán)境的情況下才是最優(yōu)的。但是風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境不可能是標(biāo)準(zhǔn)的理想環(huán)境，受地理環(huán)境限制，不同地區(qū)之間空氣密度存在一定偏差，尤其在高海拔地區(qū)和高溫地區(qū)，并且同一風(fēng)電場(chǎng)在不同的季節(jié)以及晝夜變換過程中，空氣密度也隨之變化，在相同風(fēng)速條件下，空氣密度的變化會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩控制及功率輸出，以致實(shí)際運(yùn)行無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

②傳統(tǒng)機(jī)械式的風(fēng)速風(fēng)向儀依靠軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)來完成測(cè)量，其精度及壽命基本取決于軸承，在風(fēng)沙揚(yáng)塵嚴(yán)重場(chǎng)合以及腐蝕性嚴(yán)重的沿海場(chǎng)合軸承會(huì)過早由于異物及腐蝕引起運(yùn)轉(zhuǎn)卡澀，且在環(huán)境相對(duì)良好的場(chǎng)合運(yùn)行，使用一定時(shí)間后軸承的阻尼也會(huì)隨之增大，其測(cè)量數(shù)據(jù)誤差也會(huì)增大，嚴(yán)重影響風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率。

③由于機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀存在不可避免的問題，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀應(yīng)運(yùn)而生，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的壽命取決于超聲波傳感器，由于超聲波傳感器表面用橡膠皮包裹著，可以有效避免風(fēng)沙以及雨水的侵蝕，且由于是采用傳感器測(cè)量，故不存在軸承磨損問題。

鑒于以上3點(diǎn)，采用帶有空氣密度檢測(cè)的超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀不僅可以避免機(jī)械式的風(fēng)速風(fēng)向儀軸承磨損老化問題，還可以將采集的空氣密度傳輸給主控，并對(duì)主控控制策略進(jìn)行修正，讓風(fēng)機(jī)的主控系統(tǒng)根據(jù)不同空氣密度下采取動(dòng)態(tài)風(fēng)電機(jī)組功率最優(yōu)控制方法，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率，提升發(fā)電量。

1 ?研究?jī)?nèi)容及預(yù)期目標(biāo)

1.1 加裝空氣密度傳感裝置，向機(jī)組主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供空氣密度數(shù)據(jù)

空氣密度監(jiān)測(cè)儀，是為在線監(jiān)測(cè)變槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)周邊環(huán)境的空氣密度，便于提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率。 現(xiàn)有技術(shù)中，風(fēng)電機(jī)組制造商基本忽略了空氣密度的變化，對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率所產(chǎn)生的影響。由于我國(guó)地形環(huán)境復(fù)雜，不同海拔的高度，以及空氣濕度的波動(dòng)，對(duì)空氣密度的影響特別大。另外，季節(jié)的變化，晝夜溫差的變化，都會(huì)使同一地區(qū)的空氣密度產(chǎn)生波動(dòng)。因此，上述幾種情況，都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行偏離最優(yōu)狀態(tài)。即：實(shí)際輸出功率低于設(shè)計(jì)輸出功率。然而，現(xiàn)有技術(shù)中，利用溫濕壓法研制的產(chǎn)品，其通信協(xié)議單一不能通用，而且未做防雷保護(hù)，不能直接應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)上?，F(xiàn)有技術(shù)中，所述空氣密度的測(cè)量方法有：浮力法、聲學(xué)法和溫濕壓法。其中，浮力測(cè)量密度的方法以及裝置不適合用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上;聲學(xué)法是利用聲場(chǎng)與空氣壓力的關(guān)系來測(cè)定空氣密度的方法，該方法不能滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的精度要求;溫濕壓法通過測(cè)量空氣的溫度、濕度、壓力計(jì)算出空氣密度，其精度能滿足要求，能適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.2 開發(fā)最優(yōu)風(fēng)電機(jī)組功率控制方法實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電輸出

設(shè)計(jì)出一種能夠自適應(yīng)空氣密度變化的風(fēng)電機(jī)組功率最優(yōu)控制方法，使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行能夠隨空氣密度改變，通過動(dòng)態(tài)最優(yōu)實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)矩控制，調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使其隨著輸入風(fēng)能的變化而變化，保持最佳葉尖速比運(yùn)行，獲得最大的風(fēng)能利用系數(shù)，實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電輸出。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的風(fēng)機(jī)是變速恒頻風(fēng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)速可以在低于額定風(fēng)速時(shí)隨風(fēng)速變化而變化，使風(fēng)機(jī)保持在最優(yōu)功率點(diǎn)工作進(jìn)而捕獲最大風(fēng)能。當(dāng)高于額定風(fēng)速的情況下，也可以通過調(diào)節(jié)漿距角來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的功率輸出。

風(fēng)能的特性本身就是不穩(wěn)定且隨機(jī)的一種天然能源，因此捕獲風(fēng)能的手段既與風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身特性有關(guān)，又與其控制方法有關(guān)。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與風(fēng)速成正比，所以對(duì)于某一風(fēng)速來說，總是存在一個(gè)最大輸出功率的。合適的控制方法能夠?qū)L(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的速度緊跟風(fēng)速變化而變化，做到盡最大可能減少滯后時(shí)間，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠隨風(fēng)速變化依然可以保持捕獲最大風(fēng)能。

1.3 通過加快變槳響應(yīng)和減小超調(diào)量的方式來優(yōu)化變槳 PI

加快變槳響應(yīng)是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)效率的重要方式之一。該方式的操作原理為在風(fēng)速增大的時(shí)候，發(fā)電機(jī)葉輪會(huì)隨之增加，而變槳調(diào)速裝置就是在這個(gè)過程中通過增大漿距角的方式減小葉輪的變化趨勢(shì)。在風(fēng)速增大的情況下，變槳調(diào)節(jié)裝置開始工作，推動(dòng)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向從而減少葉輪對(duì)于風(fēng)能的吸收達(dá)到使風(fēng)輪穩(wěn)定運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi);反之亦然。液壓控制系統(tǒng)具備傳動(dòng)力矩大、重量輕、剛度大、定位精確、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證更加快速、準(zhǔn)確地把葉片調(diào)節(jié)至預(yù)定節(jié)距。目前國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)的變距裝置大部分的動(dòng)力系統(tǒng)都是液壓控制系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)并入電網(wǎng)之前通過發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速大小來調(diào)節(jié)槳葉的運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)動(dòng)機(jī)并入電網(wǎng)之后通過以PI控制為主要控制方式的功率調(diào)節(jié)器作用，經(jīng)過一系列的運(yùn)算得出漿距角位置。

1.4 預(yù)期目標(biāo)

采用該控制策略，通過轉(zhuǎn)矩控制，調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使其隨著輸入風(fēng)能的變化而變化，使機(jī)組隨時(shí)保持在最佳葉尖速比狀態(tài)下運(yùn)行，獲得最大的風(fēng)能利用系數(shù)，實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電輸出，然后再通過優(yōu)化程序進(jìn)一步提高了風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量。

在大風(fēng)大湍流等極端天氣的情況下，風(fēng)機(jī)容易發(fā)生極限陣風(fēng)超速、超功率問題，本設(shè)計(jì)優(yōu)化了變槳PI系數(shù)，加入超速應(yīng)對(duì)策略使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，變槳響應(yīng)較快，功率相對(duì)平穩(wěn)且未發(fā)生停機(jī)，完全可以經(jīng)受大風(fēng)大湍流帶來的沖擊，保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行。

1.5 主要技術(shù)指標(biāo)

①提升機(jī)組發(fā)電量5%以上。

②通過加快變槳響應(yīng)和減小超調(diào)量的方式來優(yōu)化變槳PI，避免大風(fēng)大湍流帶來的沖擊。

2 ?優(yōu)化方案

2.1 硬件實(shí)施

超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的安裝、供配電方式、以及通訊方式改造。將原有機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀拆除替換為超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，風(fēng)速風(fēng)向儀可采用485與主控通訊，為防止原電源模塊功率不夠可加裝獨(dú)立供電電源模塊，將風(fēng)速、風(fēng)向、空氣密度以及其他相關(guān)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給主控。

利用超聲波時(shí)差法測(cè)量風(fēng)速的儀器稱為超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀。聲音在空氣中的傳播速度是受風(fēng)力影響的，不同風(fēng)向不同風(fēng)速都會(huì)不同程度地影響傳播速度。當(dāng)風(fēng)向與聲音的傳播方向相同時(shí)，聲音在空氣中的傳播速度會(huì)增強(qiáng)，反之則減弱。所以，當(dāng)檢測(cè)條件不變的情況下，超聲波的傳播速度和風(fēng)速有一定的關(guān)系，經(jīng)過一系列的運(yùn)算，我們能夠通過超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀確定風(fēng)向和風(fēng)速。

超聲波的傳播速度對(duì)環(huán)境溫度是非常敏感的，換而言之溫度是影響超聲波在空氣中傳播速度的重要因素。但是在超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀工作的過程中，由于超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的檢測(cè)通道是相反方向的兩個(gè)通道，所以在溫度影響這個(gè)方面是非常小的。超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的特點(diǎn)是重量輕、長(zhǎng)久耐用、無需維護(hù)無需現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀可以與電腦、數(shù)據(jù)采集器或其它具有RS485或模擬輸出相符合的采集設(shè)備連用，也能夠使用多臺(tái)超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀組成一個(gè)風(fēng)向儀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在實(shí)際工作中。超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的出現(xiàn)，解決了很多機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀所不能觸及的領(lǐng)域，它可以全年無休地工作適應(yīng)壽命也非常強(qiáng)，因此超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀在實(shí)際風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中逐漸替代了機(jī)械性風(fēng)速風(fēng)向儀。

2.2 軟件更新：主控程序算法增加空氣密度跟蹤優(yōu)化控制邏輯

機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀更換為超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，由于不存在機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀在使用中的弊端，從而風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量更精準(zhǔn)，運(yùn)行也更穩(wěn)定，再加主控程序算法對(duì)空氣密度的最優(yōu)跟蹤，會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的發(fā)電量有一定的提升效果。

對(duì)主控程序的優(yōu)化主要目的是為了使機(jī)組性能得到良好提高。主控程序優(yōu)化主要包括對(duì)風(fēng)力發(fā)電廠的風(fēng)能進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差調(diào)整控制、根據(jù)空氣密度自動(dòng)調(diào)節(jié)的最佳跟蹤優(yōu)化控制策略優(yōu)化等等。

3 ?結(jié)論與展望

理論計(jì)算發(fā)電量提高比例為5%，按2018年度呼盟公司4個(gè)項(xiàng)目總發(fā)電量3.99億kWh計(jì)算，增加發(fā)電量1995萬kWh（排除棄風(fēng)限電因素），每年增加效益997萬元左右。后期根據(jù)新能源公司各風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，進(jìn)行大范圍全面推廣。

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