風(fēng)力發(fā)電低風(fēng)速段發(fā)電量提升控制技術(shù)

中國水電建設(shè)集團新能源開發(fā)有限責(zé)任公司 石文龍 王 穩(wěn)

中車株洲電力機車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部 蔣 韜 陳 剛

一般“低風(fēng)速地區(qū)”被認(rèn)為是國家氣象局發(fā)布的我國風(fēng)能三級區(qū)劃指標(biāo)體系中的第三級區(qū)域，全國范圍內(nèi)可用低風(fēng)速資源面積約占全國風(fēng)能資源的68%，然而低風(fēng)速風(fēng)電場由于年平均風(fēng)速較低，因此研究適用于在役低風(fēng)速風(fēng)電項目的增功提效解決方案，進一步挖掘風(fēng)力發(fā)電機組的性能潛力、實現(xiàn)項目收益的最大化十分重要。

NREL（美國可再生能源實驗室）、ECN（荷蘭風(fēng)能研究中心）、DTU（丹麥科技大學(xué)）等研究機構(gòu)針對風(fēng)機在額定以下運行區(qū)段的風(fēng)能捕獲增強開展了潛力分析和單機試驗，具體包括：轉(zhuǎn)矩控制模態(tài)增益對于湍流風(fēng)能量捕獲的影響、偏航控制存在的性能提升潛力、應(yīng)用獨自變槳增加風(fēng)切變條件下的風(fēng)能捕獲等[1]；Siemens提出多項增功技術(shù)，其中Turbine Load Control 2.0（主動載荷控制）技術(shù)用于保留優(yōu)質(zhì)點位、提升長葉片機型適用風(fēng)資源等級；Power Boost Function根據(jù)不同的風(fēng)分布及環(huán)境溫度，可將機組額定功率進一步提升多達(dá)5%；High Wind Ride Throuth用于增加高風(fēng)速段能量捕獲[2]。

國內(nèi)方面，金風(fēng)推出了Value Plus系列，根據(jù)場址風(fēng)資源條件，將原1.5MW機型額定功率升至最大1.65MW，實現(xiàn)了“可調(diào)節(jié)整機功率模式”；此外，金風(fēng)也對風(fēng)機在冰凍狀態(tài)下的運行策略進行了實驗研究；遠(yuǎn)景推出了發(fā)電優(yōu)化控制包，具體項點包括Fine pitch control、TSR optimal control、Knee boost、風(fēng)機起停機優(yōu)化、偏航策略優(yōu)化等。

1 技術(shù)原理

最優(yōu)槳距控制。最優(yōu)槳距角調(diào)度優(yōu)化控制技術(shù)提出了一種全功率段調(diào)度最優(yōu)槳距角的控制方法?，F(xiàn)有WT2000機組的槳距控制中，額定功率以下機組一直運行在最小槳距角-0.5deg，事實上該槳距角僅在變轉(zhuǎn)速區(qū)間實現(xiàn)Cp最優(yōu)，在兩段恒轉(zhuǎn)速區(qū)間葉片取不同的槳距角時，葉片的氣動Cp有較大差異。因此在全功率段按Cp外包絡(luò)線進行最優(yōu)槳距角設(shè)計，可實現(xiàn)風(fēng)電機組全功率段最大風(fēng)能捕獲。從圖1Cp曲線簇可知，在兩段恒轉(zhuǎn)速區(qū)間延著Cp曲線簇的外包絡(luò)線進行最優(yōu)槳距角設(shè)計能夠使得機組一直處于較優(yōu)的Cp。

圖1 某低風(fēng)速風(fēng)電場WT2000 Cp曲線簇

模態(tài)增益優(yōu)化設(shè)計。模態(tài)增益優(yōu)化設(shè)計及調(diào)度技術(shù)提出了一種基于機組實際空氣密度、電氣損耗、機械損耗定制最優(yōu)模態(tài)增益的方案。最優(yōu)模態(tài)增益用于計算變轉(zhuǎn)速區(qū)間的轉(zhuǎn)矩給定、跟蹤風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使機組維持該區(qū)間段最優(yōu)尖速比和最大功率系數(shù)。最優(yōu)模態(tài)增益的計算公式為式（1），由表達(dá)式可知最優(yōu)模態(tài)增益受實際空氣密度、機組運行效率η的影響。模態(tài)增益優(yōu)化設(shè)計就是基于影響因素實現(xiàn)模態(tài)增益的定制化設(shè)計。

表2 技術(shù)方案實施后產(chǎn)能指標(biāo)

精準(zhǔn)偏航對風(fēng)。該技術(shù)提出一種基于功率曲線外包絡(luò)線尋優(yōu)的風(fēng)向補償優(yōu)化方案、實現(xiàn)精準(zhǔn)對風(fēng)，提升額定風(fēng)速以下的功率曲線。來流風(fēng)速經(jīng)過風(fēng)輪面時驅(qū)動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，造成風(fēng)輪后的風(fēng)向有所改變，但風(fēng)速風(fēng)向儀安裝在機艙尾部，所測風(fēng)向為風(fēng)輪后的風(fēng)向，無法完全表征風(fēng)輪前風(fēng)向，為此需通過一種技術(shù)手段對所測量的風(fēng)向進行最優(yōu)補償，減小風(fēng)向儀所測量的風(fēng)向與來流風(fēng)速風(fēng)向間誤差。基于功率曲線外包絡(luò)線尋優(yōu)的風(fēng)向補償優(yōu)化方案描述如下：采集機組運行數(shù)據(jù)、按風(fēng)向區(qū)間對數(shù)據(jù)進行分割、繪制各區(qū)間功率曲線、按功率曲線外包路線尋找風(fēng)向補償最優(yōu)值，設(shè)計風(fēng)向修正調(diào)度表。

高峰穿越控制技術(shù)。是在常規(guī)“硬性切出”風(fēng)速之上通過動態(tài)調(diào)度機組的軸功率比例系數(shù)來擴展機組的“切出風(fēng)速”。在保證機組載荷安全的同時，提高機組對“硬性切出”風(fēng)速以上工況的能量捕獲，提升機組經(jīng)濟性。

2 驗證結(jié)果

2.1 驗證方法

基于驗證前后，統(tǒng)計風(fēng)機運行狀況一致性高、可比性強時間段內(nèi)的驗證機組和對比機組的累計發(fā)電量，分別記為P'test、P'ref；Ptest、Pref。最后計算相對對比機組，驗證機組的發(fā)電量提升比例，計算公式為Rrat=[(Ptest/Pref)/(P'test/P'ref)-1]，其中P'test、P'ref、Ptest、Pref、Rrat分別為測試前實驗機組宏觀發(fā)電量、測試前對比機組宏觀發(fā)電量、測試后實驗機組宏觀發(fā)電量、測試后對比機組宏觀發(fā)電量、發(fā)電量提升比列。

2.2 采取宏觀產(chǎn)能的分析方法

獲取全場所有機組的完整年運行數(shù)據(jù)，1min顆粒；統(tǒng)計每臺機組的1min記錄條數(shù)，根據(jù)完整年理論記錄數(shù)，計算得到每臺機組的記錄完整率，缺失記錄通常對應(yīng)電網(wǎng)/回路停電、檢修停電、故障停電事件，結(jié)合風(fēng)電場生產(chǎn)記錄予以確認(rèn)；根據(jù)功率、槳距角組合條件，剔除停機、限電運行數(shù)據(jù)，得到正常發(fā)電運行數(shù)據(jù)集C1。采用區(qū)間法得到數(shù)據(jù)集C1下的實際功率曲線，結(jié)合實際功率曲線、實際風(fēng)頻及理論功率曲線，計算得到正常發(fā)電運行工況下的功率曲線評估值K1=(實測功率曲線×實際風(fēng)頻)/(理論功率曲線×實際風(fēng)頻)。

根據(jù)功率條件剔除停機運行數(shù)據(jù)（保留限電運行數(shù)據(jù)），得到發(fā)電運行數(shù)據(jù)集C2。采用區(qū)間法得到數(shù)據(jù)集C2下的實際功率曲線，結(jié)合實際功率曲線、實際風(fēng)頻及理論功率曲線，計算得到發(fā)電運行工況下的功率曲線評估值K2=(實測功率曲線×實際風(fēng)頻)/(理論功率曲線×實際風(fēng)頻)，且有K2＜=K1；保留所有運行數(shù)據(jù)，得到運行數(shù)據(jù)集C3。采用區(qū)間法得到數(shù)據(jù)集C3下的實際功率曲線，結(jié)合實際功率曲線、實際風(fēng)頻及理論功率曲線，計算得到運行工況下的功率曲線評估值K3=(實測功率曲線×實際風(fēng)頻)/(理論功率曲線×實際風(fēng)頻)，且有K3＜=K2；忽略C1、C2、C3數(shù)據(jù)集之間的風(fēng)頻差異，可得：限電損失率≈1-K2/K1；停機損失率≈1-K3/K2；運行損失率≈1-K3/K1=1-(K2/K1)×(K3/K2)；假設(shè)停電事件導(dǎo)致的電量損失與停電時長成正比，則發(fā)電可利用率PBA≈K3/K1×記錄完整率。

2.3 宏觀產(chǎn)能分析結(jié)果

對技術(shù)方案實施前（2019年5月31日～2019年11月20日）、后（2020年5月31日～2020年11月20日）的產(chǎn)能指標(biāo)進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1、表2。其中綠色、白色底紋分別對應(yīng)試驗組和對照組。

驗證結(jié)果。基于發(fā)電量提升效果直接評估的方法證明，某風(fēng)場一期多維度增功提效具體的測試結(jié)果為：驗證周期6個月，驗證開始時間2020年5月30日，驗證機組、對比機組的提升比列分別為5#/04#，2.8665%；9#/10#，3.3703%；13#/12#，3.8861%；15#/16#，4.2517%，整體的提升效果為3.59%。

綜上，在整個風(fēng)電機組的生命周期內(nèi)持續(xù)開展控制優(yōu)化和潛力挖掘，才能進一步提升低風(fēng)速風(fēng)電機組的設(shè)計品質(zhì)、提高風(fēng)電場的運營效益，增加機組競爭力。同時需結(jié)合機組的載荷安全域度、在電氣、機械、結(jié)構(gòu)等約束條件下進行精細(xì)設(shè)計。