風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量提升思路探討

申能新能源（青海）有限公司 趙 維

中國(guó)風(fēng)電經(jīng)過數(shù)十年的高速發(fā)展已逐步度過青春期向成熟能源邁進(jìn)。在如今的技術(shù)條件和政策條件已相對(duì)完善的情況下“平價(jià)時(shí)代”如期而至，風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)進(jìn)一步壓縮。在此政策背景下，提升發(fā)電量、保障風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益成了各風(fēng)場(chǎng)業(yè)主最為關(guān)心的話題，也是支撐整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展的重要著力點(diǎn)。

1 技術(shù)角度

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理和機(jī)組的結(jié)構(gòu)組成，風(fēng)機(jī)的輸出功率為P=0.5V3ρACph，式中V為風(fēng)速，ρ為空氣密度，A為風(fēng)輪掃風(fēng)面積，Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，h為機(jī)組相關(guān)部件的工作效率?？煽闯觯胍嵘龣C(jī)組發(fā)電量可從風(fēng)資源、空氣密度、風(fēng)輪掃風(fēng)面積、風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率、機(jī)組大部件的效率幾個(gè)方面考慮。

1.1 風(fēng)資源提升

機(jī)組風(fēng)資源的提升可從單個(gè)機(jī)組著手，也可從風(fēng)場(chǎng)整體著手。

改善單個(gè)機(jī)組的風(fēng)資源狀況。風(fēng)電場(chǎng)改善單個(gè)機(jī)組的風(fēng)資源狀況主要有“移機(jī)”和“加高塔筒”兩種方式。其中“移機(jī)”屬于較大的改造動(dòng)作，這往往是前期選址工作出現(xiàn)了失誤導(dǎo)致。在了解了項(xiàng)目基本情況后，首先要確定該項(xiàng)目是否有移機(jī)的必要，即：移機(jī)是彌補(bǔ)損失還是擴(kuò)大損失，因?yàn)橐坏┮茩C(jī)方案確定，將涉及風(fēng)機(jī)和箱變拆裝工程及土建工程、集電線路工程、采購(gòu)基礎(chǔ)環(huán)等一系列工作。而“加高塔筒”也需謹(jǐn)慎考慮，比較適合風(fēng)切變較大的風(fēng)場(chǎng)，但也要重新驗(yàn)證載荷和經(jīng)濟(jì)性。

改善整場(chǎng)的風(fēng)資源狀況。通過整場(chǎng)風(fēng)資源的合理調(diào)配和扇區(qū)管理，減少機(jī)組間尾流的影響，犧牲個(gè)別機(jī)組的出力情況，可使整場(chǎng)發(fā)電性能最優(yōu)。

1.2 空氣密度利用優(yōu)化

風(fēng)場(chǎng)空氣密度的利用優(yōu)化，即對(duì)機(jī)組控制邏輯中的最優(yōu)增益模態(tài)值Kopt調(diào)節(jié)優(yōu)化。當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組基本上都用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，通過一定的控制策略和控制算法計(jì)算出最佳的轉(zhuǎn)矩，然后給定轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)機(jī)組最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為Qd，式中V為風(fēng)速、λ為葉尖速比、Wg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、R為風(fēng)輪半徑、G為齒輪箱傳動(dòng)比、P為功率、Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率、ρ為空氣密度、Qd為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。其中即為最優(yōu)模態(tài)增益Kopt，而最佳輸出功率P=Qd×Wg。由公式可看出Kopt與空氣密度關(guān)系密切。但目前在多數(shù)機(jī)組的控制算法中所采用的空氣密度為定值，而機(jī)組的空氣密度是時(shí)時(shí)在變化的，這樣就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩最優(yōu)給定存在一定的偏差，影響發(fā)電效果。

針對(duì)以上情況，可采集機(jī)組環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)，將所得到的實(shí)時(shí)空氣密度引入控制算法中優(yōu)化控制，達(dá)到最佳轉(zhuǎn)矩給定的目的，可進(jìn)一步提高機(jī)組出力。同，根據(jù)夏冬季不同的空氣密度進(jìn)行控制策略的季節(jié)性調(diào)整，也可達(dá)到機(jī)組的精細(xì)化控制，提升發(fā)電效率[1]。

1.3 掃風(fēng)面積提升

國(guó)內(nèi)早期建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)往往都處于風(fēng)資源最優(yōu)質(zhì)的區(qū)域，由于當(dāng)初由于技術(shù)條件的限制，這些風(fēng)場(chǎng)所選用的機(jī)組葉片在現(xiàn)在看來都偏小、捕風(fēng)能力較差，導(dǎo)致這些區(qū)域優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源并沒有得到充分的利用。為了讓這些小葉片機(jī)組能重新發(fā)揮更大價(jià)值，加長(zhǎng)葉片、增大掃風(fēng)面積來提升發(fā)電量無疑是最為直接的方式。

以直徑100m的葉片為例，葉片延長(zhǎng)2m掃風(fēng)面積能增加近8%，在同樣的風(fēng)速條件下，機(jī)組從來流中獲取的風(fēng)能就有可能增加8%，因此提升效果還是很可觀的，目前市場(chǎng)上的應(yīng)用案例也較多，通常有葉尖延長(zhǎng)和葉根延長(zhǎng)兩種方式。不管是哪種延長(zhǎng)方式，在方案實(shí)施前都須經(jīng)過嚴(yán)格載荷計(jì)算、強(qiáng)度分析等安全性評(píng)估，在提高機(jī)組發(fā)電量的同時(shí)還要確保技改后機(jī)組能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行，不增加機(jī)組安全風(fēng)險(xiǎn)也不能減少機(jī)組壽命。另外改造后的提升效果也需要精確估算，確保成本可控，經(jīng)濟(jì)性可行[2]。

1.4 風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率提升

根據(jù)風(fēng)機(jī)的發(fā)電特性，風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率主要由葉片的氣動(dòng)性和最優(yōu)Cp的跟蹤策略來決定，所以風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率的提升思路也主要從這兩個(gè)方面來開展。

1.4.1 恢復(fù)或提升葉片的氣動(dòng)特性

葉片清理/修補(bǔ)/貼膜：風(fēng)電場(chǎng)通常建于山區(qū)或近海等區(qū)域，自然環(huán)境較差，風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)期暴露在外，容易經(jīng)受環(huán)境中雨滴、冰雹、鹽霧、風(fēng)沙等粒子的侵襲，這些都是導(dǎo)致葉片腐蝕的主導(dǎo)因素，而葉片一旦遭受腐蝕后，其基體材料將直接暴露在紫外線及濕氣等惡劣環(huán)境中，更會(huì)加速葉片的老化，降低葉片的防雷指數(shù)，嚴(yán)重影響機(jī)組的發(fā)電效率和運(yùn)行安全性。研究數(shù)據(jù)顯示，葉片因腐蝕、老化等缺陷對(duì)發(fā)電量造成的損失可達(dá)5%以上，由此可見，修復(fù)葉片、盡可能恢復(fù)其原有的氣動(dòng)性（發(fā)電效率），對(duì)于風(fēng)機(jī)發(fā)電量提升將是非常有效的途徑。

根據(jù)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，通常風(fēng)場(chǎng)在正常運(yùn)行兩年左右葉片就會(huì)有膠衣脫落、出現(xiàn)沙眼等情況，到第五年葉片外部材料基本就磨損到極限。因此，為保證風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)久健康運(yùn)行，建議每年都要對(duì)葉片定期進(jìn)行檢查，盡量選擇風(fēng)小季節(jié)針對(duì)前后緣腐蝕、葉尖及葉片避雷系統(tǒng)進(jìn)行檢查、維護(hù)、修補(bǔ)后，可在葉尖處前緣貼上風(fēng)電葉片保護(hù)膜，加強(qiáng)葉片重點(diǎn)損壞部位的防護(hù)[3]。

加裝渦流發(fā)生器：渦流發(fā)生器最早產(chǎn)生于航空領(lǐng)域，目前在風(fēng)電領(lǐng)域也得到了廣泛運(yùn)用。它通過帶動(dòng)高能流動(dòng)區(qū)域的能量進(jìn)入邊界層內(nèi)的低能區(qū)域，使流體能量重新分布、抑制了流動(dòng)分離，為機(jī)組減少由于氣流分離帶來的性能損失，提升原有的氣動(dòng)性。加裝渦流發(fā)生器后的提效通常能達(dá)到2%～3%，但并不是所有風(fēng)機(jī)都可以做，需經(jīng)過嚴(yán)格的理論計(jì)算。

1.4.2 優(yōu)化控制策略，跟蹤最優(yōu)Cp

最優(yōu)Cp跟蹤優(yōu)化（從傳統(tǒng)查表模式優(yōu)化成PI控制模式）：目前大多數(shù)風(fēng)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行在中低風(fēng)速區(qū)間的時(shí)段最多，因此優(yōu)化好這一風(fēng)速區(qū)間的控制策略，追求最佳的風(fēng)能利用系數(shù)（Cp），將會(huì)對(duì)機(jī)組發(fā)電量的提升起到關(guān)鍵作用。對(duì)于采用給定轉(zhuǎn)矩控制的風(fēng)電機(jī)組，在早期的控制策略中轉(zhuǎn)矩給定是通過查表法來實(shí)現(xiàn)，通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來查對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)Cp的跟蹤（圖1中ABEFGH）。該方法雖然簡(jiǎn)單方便但局限性也明顯：由于機(jī)組受最小并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的約束，查表法在兩個(gè)邊界轉(zhuǎn)速上，只能采用斜率較大的過渡斜線（AB→AC、EF→DF）來表征轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種過渡斜線的方法縮短了最佳葉尖速區(qū)間，減少了機(jī)組的發(fā)電量；在圖1中CD區(qū)間段，由于查表法點(diǎn)數(shù)有限，通常需要通過線性插值方式來計(jì)算給定轉(zhuǎn)矩，實(shí)際上并不能很好跟蹤這段曲線。為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩就得沿著圖中ABEF軌跡運(yùn)行，目前常用的辦法是可采用比例積分（PI）控制器來實(shí)現(xiàn)[4]。

圖1 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制邏輯

圖2 某風(fēng)場(chǎng)葉片零位校準(zhǔn)舉例

葉片零位校準(zhǔn)：根據(jù)Cp-λ曲線可知，風(fēng)機(jī)在功率上升階段應(yīng)保持正對(duì)風(fēng)（即槳角0度）的狀態(tài)才能跟蹤最優(yōu)Cp。因此風(fēng)機(jī)葉片零位設(shè)置是否準(zhǔn)確，將直接影響機(jī)組在功率上升階段對(duì)于風(fēng)能的利用效率。以某風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)場(chǎng)機(jī)組葉片零位普遍存在偏差，導(dǎo)致發(fā)電效率低下。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該系列機(jī)組葉片處于4度槳角時(shí)才相當(dāng)于正常的零位，經(jīng)過0位校準(zhǔn)后機(jī)組功率恢復(fù)了正常的輸出水平。

1.5 大部件的運(yùn)行效率提升

根據(jù)風(fēng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化原理，風(fēng)能經(jīng)過葉輪吸收后需經(jīng)過風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈上一系列部件轉(zhuǎn)化，最后由發(fā)電機(jī)輸出為電能，在這整個(gè)過程中傳動(dòng)鏈上各部件的運(yùn)行效率（機(jī)械效率、電氣效率、自耗電等）將對(duì)最終輸出有著重要影響。因此，提升傳動(dòng)鏈部件的運(yùn)行效率將是機(jī)組發(fā)電量的提升的一個(gè)有用方向。

根據(jù)大多數(shù)風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，可參考的思路有：優(yōu)化相關(guān)部件設(shè)計(jì)缺陷。如散熱器功率低，繼電器電流閥值過小等；恢復(fù)、提高部分傳感器及零部件精度。如轉(zhuǎn)速傳感器精度、溫控閥改造等；根據(jù)風(fēng)場(chǎng)特定環(huán)境，如春天容易飄柳絮堵塞散熱口、冬天溫度太低影響潤(rùn)滑等情況，可制定相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化策略，保障相關(guān)部件的正常健康運(yùn)行。

2 管理角度

一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電能力，除與先天的風(fēng)資源條件及所選機(jī)組的質(zhì)量水平有關(guān)外，運(yùn)維團(tuán)隊(duì)的管理水平也是一個(gè)不容忽視的影響因素?？茖W(xué)合理的運(yùn)維管理能使機(jī)組充分利用風(fēng)力資源，減少故障發(fā)生頻率，保持機(jī)組健康穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，最終達(dá)到獲取最大發(fā)電量的目的。

檢修維護(hù)策略優(yōu)化。分析歷年風(fēng)速和限電數(shù)據(jù)，合理編制全年檢修和技改時(shí)間計(jì)劃，不限電地區(qū)安排在小風(fēng)期，限電地區(qū)安排在限電嚴(yán)重月份；備品備件管理優(yōu)化。做好備品備件的統(tǒng)計(jì)，分析使用情況，準(zhǔn)確掌握常用備品需求，合理進(jìn)行儲(chǔ)備；負(fù)荷調(diào)度管理優(yōu)化。積極與調(diào)度溝通，在電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令下，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備特性，確定風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量和風(fēng)電場(chǎng)送出負(fù)荷，達(dá)到增發(fā)、搶發(fā)的目的；場(chǎng)用電管理優(yōu)化。整合系統(tǒng)各類運(yùn)行信息，結(jié)合電氣運(yùn)行方式特點(diǎn)，有針對(duì)性的根據(jù)年度、季度、月度不同工況，開展電氣設(shè)備優(yōu)化工作，不斷提高電能傳輸效率，降低場(chǎng)用電率；技術(shù)的交流與傳承。風(fēng)電場(chǎng)一般地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，人員流動(dòng)大，要確保專業(yè)技術(shù)的交流與傳承，保障運(yùn)維水平。

綜上，任何提升思路的落地應(yīng)用都必須經(jīng)過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)證，才能最終為風(fēng)場(chǎng)創(chuàng)造最大價(jià)值。