風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電性能分析與優(yōu)化

王德朋

摘 ?要：經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)增加了能源消耗，阻礙了煤炭資源的無限開發(fā)。霧霾和溫室氣候的趨勢(shì)越來越強(qiáng)烈。調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，分階段減少煤炭，降低石油在能源消費(fèi)中的比例，大規(guī)模發(fā)展可再生能源，大幅提高低碳無碳能源在生產(chǎn)和消費(fèi)中的比例，對(duì)于應(yīng)對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)和當(dāng)前全球趨勢(shì)具有尤為重要的意義。風(fēng)力發(fā)電是可再生能源領(lǐng)域最成熟、最經(jīng)濟(jì)的選擇之一?？稍偕茉窗ㄌ枴⑺?、風(fēng)、生物質(zhì)、波浪、潮汐、海洋溫差能。太陽和風(fēng)能是最大的發(fā)展?jié)摿?，并由世各地長(zhǎng)期的技術(shù)進(jìn)步投入運(yùn)用。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)隨著成熟度的提高和產(chǎn)能的增加，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電有了很大發(fā)展。經(jīng)過幾十年的快速增長(zhǎng)，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電達(dá)到了前所未有的水平，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能的需求不斷增加。因此，有必要分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量功率，尋找相對(duì)于發(fā)電能力設(shè)備優(yōu)化功率的方法，從硬件和軟件方面探討風(fēng)力發(fā)電的能力原因，并進(jìn)行研發(fā)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;機(jī)組發(fā)電;性能分析

當(dāng)今世界，發(fā)展可再生能源變得越來越重要，風(fēng)力發(fā)電低碳能源和清潔能源在電力系統(tǒng)中的份額也在增加，然而，與常規(guī)能源形式相比，風(fēng)能的生產(chǎn)成本相對(duì)較高。分析機(jī)組的發(fā)電性能和提高機(jī)組的發(fā)電能力可以提高機(jī)組的運(yùn)行效率，提高機(jī)組發(fā)電成本與化石燃料發(fā)電成本之間的競(jìng)爭(zhēng)力

一、風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軆蓚€(gè)階段：第一，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。第二，發(fā)電機(jī)將機(jī)械轉(zhuǎn)化為電能，以達(dá)到發(fā)電目標(biāo)。根據(jù)葉片的數(shù)量，機(jī)組可以分為單、雙、三和多葉片。根據(jù)地面相對(duì)于不同風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸的位置，軸可以分為垂直軸和水平軸風(fēng)電機(jī)組。機(jī)組功率分為三種：定槳距、主動(dòng)失速型、變槳變速型，具體取決于電動(dòng)機(jī)電流控制的類型。水平軸風(fēng)能是今天的主要市場(chǎng)。根據(jù)傳動(dòng)齒輪箱是否具有速度功能，它分為雙饋、直驅(qū)型和混合型的半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。當(dāng)前雙饋電機(jī)市場(chǎng)份額較大，風(fēng)作用于葉片，產(chǎn)生葉片的旋轉(zhuǎn)力矩，風(fēng)力轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械。與此同時(shí)，齒輪箱的增長(zhǎng)和風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)也提高了轉(zhuǎn)速。

1.葉片：風(fēng)以一定的速度向葉片的特定攻角沖擊，增加葉片和整個(gè)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)輪轂，聯(lián)接主軸的輪轂的輪轂將扭矩傳遞給主軸，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力和機(jī)械能量轉(zhuǎn)換。

2.輪轂：裝配聯(lián)接到主軸與葉片。

3.主軸：風(fēng)輪產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩傳遞給齒輪箱。

4.齒輪箱增速：將低速（主軸）提升到更高的轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)電機(jī)并轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)矩。齒輪箱增速主要是多級(jí)結(jié)構(gòu)。

5.制動(dòng)：當(dāng)發(fā)電機(jī)獲得制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鉗擰緊制動(dòng)盤，使整個(gè)風(fēng)輪傳動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)。

6.散熱器：降低機(jī)艙溫度，特別是齒輪箱和發(fā)電機(jī)的溫度。

7.測(cè)量?jī)x風(fēng)速、風(fēng)向：運(yùn)行中風(fēng)向的測(cè)量值。

8.發(fā)電機(jī)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)換為電能。

9.控制柜：風(fēng)力發(fā)電組的控制可以發(fā)出啟動(dòng)、停止、偏航等命令。并監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電組的電網(wǎng)、環(huán)境和狀態(tài)。

10.塔架：作用是車廂支撐機(jī)艙。

11.變槳系統(tǒng)：根據(jù)風(fēng)速改變螺旋槳角度，改變機(jī)組氣動(dòng)力特性，風(fēng)輪吸收風(fēng)能控制。

12.偏航系統(tǒng)：調(diào)整風(fēng)輪的狀態(tài)。主要部件包括電機(jī)、風(fēng)向標(biāo)、大齒輪和減速電機(jī)?？刂破饔?jì)算一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)向的恒定方向，并發(fā)出控制偏航電機(jī)的命令，使艙軸線與風(fēng)向和穩(wěn)定方向跟蹤變化。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電能力評(píng)估

用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的小時(shí)數(shù)是衡量項(xiàng)目當(dāng)前性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。這是年發(fā)電量與風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率之比。對(duì)于單臺(tái)機(jī)組，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的年功率與計(jì)算機(jī)功率之比?？梢蚤_始分析單臺(tái)風(fēng)機(jī)的等效風(fēng)能。通過將單臺(tái)機(jī)組發(fā)電量加上功率損失（例如功率上限、故障和維修）轉(zhuǎn)換為等效的使用小時(shí)數(shù)，在風(fēng)場(chǎng)中對(duì)同一單元類型的等效使用小時(shí)數(shù)進(jìn)行分類，并將實(shí)際風(fēng)速與等效的使用小時(shí)數(shù)進(jìn)行比較，以相同的速度進(jìn)行。風(fēng)機(jī)功率曲線是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的最直接表示。因此，功率曲線可以有效地分析風(fēng)機(jī)的健康和能量指標(biāo)。由于環(huán)境因素，例如尾流、空氣密度和湍流，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行期間的實(shí)際工作功率曲線可能不精確地對(duì)應(yīng)于功率曲線，而單臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)際功率曲線與標(biāo)準(zhǔn)功率之間的差異是風(fēng)機(jī)發(fā)電能力功率的直觀表示造成的。由于機(jī)組的實(shí)際能量曲線，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)一年的理論功率可以計(jì)算，風(fēng)速和功率為10分鐘。利用10分鐘平均風(fēng)速和合同保證性能曲線，估算出單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年轉(zhuǎn)速，并建立分布圖。分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線與合同保證功率曲線之間的關(guān)系計(jì)算發(fā)電是功率曲線的一致性。對(duì)組功率曲線進(jìn)行排序和一致性分析，篩選出功率曲線的異常一致性組。

三、機(jī)組發(fā)電性能提升

1.優(yōu)化的額定功率。評(píng)估風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)氣候條件和風(fēng)機(jī)負(fù)荷，以確定風(fēng)機(jī)能否獲得額定性能。根據(jù)類型，性能可以得到很大提高。必須基于機(jī)組整個(gè)生命周期中的安全性和可靠性，并具有IEC WT 01和GB/T 18451.1的具體要求。

2.優(yōu)化轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。發(fā)電機(jī)和變頻器之間增加了一個(gè)轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改善了相應(yīng)的運(yùn)行控制和邏輯。根據(jù)機(jī)組的狀態(tài)，電路拓?fù)鋾?huì)發(fā)生智能變化，以保證風(fēng)機(jī)始終處于最佳電源狀態(tài)。該變頻器基于控制的基本性質(zhì)，通過改變相應(yīng)的控制算法和操作策略，間接增加了風(fēng)能生產(chǎn)能力，提高了風(fēng)輪低風(fēng)速段采集效率，減少了整機(jī)傳動(dòng)鏈的摩擦損失。

3.優(yōu)化捕風(fēng)能力。測(cè)風(fēng)裝置自適應(yīng)控制的偏航上風(fēng)向自動(dòng)校準(zhǔn)，并自動(dòng)更新每個(gè)風(fēng)機(jī)的傳遞函數(shù)。通過接受風(fēng)向的自然變化，根據(jù)發(fā)電情況確定最佳偏航位置，并相應(yīng)地調(diào)整氣流偏移，以提高風(fēng)力精度。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，許多風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速定為20-25米/秒。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)速度根據(jù)工作狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特性而增加，可以捕獲更多的風(fēng)能，并顯著增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的嚴(yán)重疲勞以及負(fù)荷計(jì)算和葉片變槳角度的變化。

4.優(yōu)化硬件。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要部件。每個(gè)葉片都有單獨(dú)的變槳系統(tǒng)。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，葉片傾角由變槳驅(qū)動(dòng)裝置調(diào)節(jié)，以葉片變槳實(shí)現(xiàn)、安全保護(hù)和功率控制。采用氣動(dòng)原理，風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效降低風(fēng)荷載，增加風(fēng)機(jī)功率。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，但是隨著葉片吹過表面形成葉片正面和反面之間的壓力差。

這產(chǎn)生了風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的升力，就像飛機(jī)機(jī)翼一樣。我們能否從飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)中獲得靈感，以提高風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)力性能。我們可以利用飛機(jī)機(jī)翼的氣動(dòng)力學(xué)原理，簡(jiǎn)單地升級(jí)葉片，安裝低展弦比小翼段作為渦流發(fā)生器。根據(jù)葉片的設(shè)計(jì)和隔離區(qū)的形狀，通過利用延遲氣流分離葉片，可以提高葉片的強(qiáng)度和發(fā)電能力。當(dāng)然，視風(fēng)力的結(jié)構(gòu)和承載能力而定，可以通過安裝葉尖或根部以及適當(dāng)延長(zhǎng)葉片長(zhǎng)度來大大提高風(fēng)力發(fā)電能力。但是，葉片延遲需要進(jìn)行嚴(yán)格的載荷計(jì)算和長(zhǎng)期的安全檢查，由于后處理，這一成本相對(duì)較高。因此，風(fēng)電能力的硬件優(yōu)化不僅要考慮計(jì)劃的可行性，還要考慮運(yùn)行的總體成本。

系統(tǒng)分析風(fēng)力發(fā)電能力，尋找增加風(fēng)力發(fā)電能力、科學(xué)升級(jí)風(fēng)力發(fā)電能力、提升機(jī)組的硬件和軟件發(fā)電能力。但是，為了優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力，必須嚴(yán)格分析發(fā)電機(jī)組的安全校核，并充分分析發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力優(yōu)化的安全性、有效性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉作敏.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合改造技術(shù)驗(yàn)證[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2020（12）：48-52.

[2]熊軍.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線狀態(tài)評(píng)估方法[J].電子元器件與信息技術(shù)，2020，4（04）：152-153+157.

[3]呂晗.運(yùn)用SCADA數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)風(fēng)電設(shè)備的健康狀況[J].風(fēng)力發(fā)電，2019，502）：43

[4]李晗.基于風(fēng)機(jī)健康系數(shù)的風(fēng)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法[J].可再生能源，2019，33（7）：1027～1032