雙饋風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)化發(fā)電量提升方案研究

李民 黃久平 步兵

[摘? ? 要]雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是我國(guó)風(fēng)電技術(shù)發(fā)展初期應(yīng)用最多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，隨著技術(shù)的不斷更新，早期裝機(jī)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組存在技術(shù)落后的問(wèn)題，需要對(duì)其進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。文章論述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量提升方案，為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)升級(jí)提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;發(fā)電量提升;技術(shù)改造

[中圖分類號(hào)]TM46 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）07–0–03

Research on the Scheme of Increasing Power Generation of Double-Fed Wind Turbine

Li Min，Huang Jiu-ping，Bu bing

[Abstract]The doubly-fed wind turbine is the wind turbine with the most application in the early stage of the development of wind power technology in my country. With the continuous update of technology， the early-installed doubly-fed wind turbine has the problem of backward technology and needs to be upgraded. Discussed the power generation increase plan of the doubly-fed wind power generator， which provides a basis for the technical upgrade of the doubly-fed wind power generator.

[Keywords]doubly-fed wind turbine;power generation increase;technological transformation

1 概述

國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展初期，早期雙饋風(fēng)電機(jī)組由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足且偏于保守、機(jī)型選擇空間小、風(fēng)電場(chǎng)可研和微觀選址及載荷評(píng)估較為粗糙等多方面原因，導(dǎo)致機(jī)組選型存在偏差，造成部件安全裕度的極大浪費(fèi)，早期雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能已無(wú)法滿足風(fēng)場(chǎng)預(yù)期設(shè)計(jì)發(fā)電指標(biāo)。

隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步和趨于成熟，針對(duì)在役運(yùn)行風(fēng)機(jī)，最小成本提高機(jī)組發(fā)電量，降低平準(zhǔn)化度電成本，已經(jīng)成為行業(yè)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。本文所述的雙饋風(fēng)電機(jī)組提質(zhì)增效的研究，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組自學(xué)習(xí)，參數(shù)自動(dòng)尋優(yōu)、校正，動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)一機(jī)一策的控制策略，最大限度地輸出電能，為客戶創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

由動(dòng)量葉素理論可知，風(fēng)輪的產(chǎn)生功率為：

式（1）中，ρ為空氣密度;U為來(lái)流風(fēng)速;R為葉輪半徑;C_p為風(fēng)能利用系數(shù)。

由于機(jī)組葉輪半徑、空氣密度基本保持不變，因此，典型的機(jī)組功率與功率系數(shù)、推力系數(shù)的關(guān)系曲線如圖1所示。

由式（1）可知，要想獲得較大的功率，可以增大上述4個(gè)參數(shù)值，而對(duì)于特定的風(fēng)場(chǎng)，其空氣密度及來(lái)流風(fēng)速基本已經(jīng)確定，很難通過(guò)人為來(lái)改變。在不額外增加硬件前提下葉輪半徑保持不變，目前成本較低的方法便是通過(guò)優(yōu)化控制技術(shù)，使Cp值一直保持在最佳位置，從而獲得更多風(fēng)能。

此外，還可根據(jù)實(shí)際風(fēng)況空氣密度，優(yōu)化機(jī)組并網(wǎng)或脫網(wǎng)控制策略，在達(dá)到額定風(fēng)速之后，還可以提高機(jī)組的額定功率實(shí)施功率超發(fā)。當(dāng)然，功率超發(fā)的前提是對(duì)機(jī)組的各大部件進(jìn)行安全評(píng)估，以及實(shí)時(shí)監(jiān)控功率超發(fā)時(shí)各部件的工作狀態(tài)并動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2 技術(shù)改造方案介紹

通過(guò)對(duì)數(shù)千臺(tái)的雙饋風(fēng)電機(jī)組記錄的豐富數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)分析及建模，主要技術(shù)方案如下。

2.1 智能變槳控制技術(shù)

雙饋風(fēng)電機(jī)組舊版本控制策略中，全廠機(jī)組相同的葉片，發(fā)電模式下給出相同的一組理論最優(yōu)變槳角度值，而實(shí)際運(yùn)行中由于機(jī)位排布和尾流等外部條件的影響，機(jī)組自身的變槳角度值應(yīng)不盡相同。如果設(shè)定相同的變槳角度值，那么勢(shì)必會(huì)影響部分機(jī)組的發(fā)電量。不同槳距角與機(jī)組葉尖速比的關(guān)系曲線如圖2所示。

應(yīng)用了智能變槳控制技術(shù)后，通過(guò)智能變槳尋優(yōu)邏輯，機(jī)組能夠動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)在低風(fēng)速段找到尋優(yōu)變槳角度。采取該控制技術(shù)后，即可避免全場(chǎng)機(jī)組采用相同變槳角度而導(dǎo)致的部分機(jī)組發(fā)電量損失問(wèn)題，每臺(tái)機(jī)組以自身尋優(yōu)結(jié)果進(jìn)行變槳。

基于模型仿真驗(yàn)證，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析可得風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率C_p與葉片工作位置存在的相關(guān)性。及時(shí)調(diào)整機(jī)組葉片位置，能夠確保風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率始終處在最優(yōu)值，從而提高機(jī)組發(fā)電量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試機(jī)組采用智能變槳控制技術(shù)前后機(jī)組的功率曲線和變槳角度的變化情況，參考風(fēng)頻的分布規(guī)律并結(jié)合機(jī)組實(shí)際的功率曲線可算出機(jī)組優(yōu)化后，低風(fēng)速段機(jī)組發(fā)電量能夠提升4%～6%，特別是在某些平均風(fēng)速較低的風(fēng)電場(chǎng)，該控制策略的優(yōu)化能夠明顯地提升風(fēng)電場(chǎng)整場(chǎng)的發(fā)電量。

2.2 智能偏航控制技術(shù)

基于模型仿真驗(yàn)證，結(jié)合大數(shù)據(jù)，分析不同對(duì)風(fēng)角度偏差對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電損失功率的影響，作為機(jī)組智能偏航控制技術(shù)的理論依據(jù)。對(duì)風(fēng)角度偏差與機(jī)組發(fā)電量損失的關(guān)系如圖3所示。從分析結(jié)果來(lái)看，風(fēng)角度偏差在5%區(qū)間范圍內(nèi)對(duì)發(fā)電損失功率影響最大。

對(duì)風(fēng)角度偏差的問(wèn)題，在每臺(tái)機(jī)組上的反應(yīng)不盡相同，這是由于風(fēng)速儀安裝的固有缺陷導(dǎo)致的。由于每臺(tái)風(fēng)速儀的安裝或多或少存在一定的誤差，導(dǎo)致每臺(tái)風(fēng)機(jī)的對(duì)風(fēng)角度偏差也不盡相同。因此，需要通過(guò)智能偏航控制技術(shù)，保證每臺(tái)機(jī)組的對(duì)風(fēng)位置處在最優(yōu)點(diǎn)，從而提高機(jī)組發(fā)電量。

通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況的大數(shù)據(jù)分析，智能辨識(shí)風(fēng)向偏差，自動(dòng)校正最優(yōu)偏航角度，確保每臺(tái)風(fēng)機(jī)均可以處在最優(yōu)的對(duì)風(fēng)位置上，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組風(fēng)功率捕獲的最優(yōu)解。這一控制方式的實(shí)現(xiàn)從根本上提高了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率，如圖4所示。

2.3 智能動(dòng)態(tài)能量捕獲技術(shù)

中風(fēng)速區(qū)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整OptGain增益值，控制器采集大量的數(shù)據(jù)，依據(jù)程序中的數(shù)學(xué)模型查找出最優(yōu)的參數(shù)，確保機(jī)組追蹤最優(yōu)功率曲線，提高機(jī)組發(fā)電量（圖5）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試機(jī)組采用智能偏航控制技術(shù)前后機(jī)組的功率曲線的變化情況，結(jié)合機(jī)組實(shí)際的功率曲線可算出機(jī)組優(yōu)化后低風(fēng)速段效果能夠提升不低于2%。

風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制關(guān)系如圖6所示，可以看出，為了獲得最大發(fā)電功率，需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行分段，在不同風(fēng)速段采取不同控制策略。轉(zhuǎn)矩控制的變速部分追求最優(yōu)C_p，獲得最大能量轉(zhuǎn)換效率;定速部分采用PI控制，維持轉(zhuǎn)速不變。轉(zhuǎn)矩控制流程如圖7所示。

使用自學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等方法，由風(fēng)電機(jī)組大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)和外部獲取的信息，對(duì)外部的環(huán)境、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及其他參數(shù)特征，生成機(jī)組畫(huà)像，對(duì)風(fēng)機(jī)及其部件的性能進(jìn)行測(cè)評(píng)和輸出相應(yīng)的控制策略，使風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行策略和適應(yīng)不同的外部條件變化，使風(fēng)機(jī)具有自我進(jìn)化的能力，不斷依據(jù)自身的狀態(tài)與外部環(huán)境進(jìn)行智能降載調(diào)節(jié)，以提升機(jī)組的穩(wěn)定性、發(fā)電能力和延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)壽命。

通過(guò)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組模型及實(shí)際測(cè)試，進(jìn)行變槳控制器和轉(zhuǎn)矩控制器參數(shù)的自調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組發(fā)電性能最優(yōu)及保障機(jī)組的載荷安全。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

采用雙饋風(fēng)電機(jī)組提質(zhì)增效方案，電價(jià)按照0.55元/kWh，年平均利用小時(shí)數(shù)1 800 h，單臺(tái)機(jī)組的年平均風(fēng)速、發(fā)電量提升比例及收益對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

以年平均風(fēng)速5.5 m/s為例，單臺(tái)機(jī)組的收益平均提升為5.97萬(wàn)元，而軟件優(yōu)化成本約為5萬(wàn)元，從而當(dāng)年就可回收投資成本并獲得收益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量提升方案進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)機(jī)組控制策略的升級(jí)，不依托硬件改造，達(dá)到了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量提升5%、經(jīng)濟(jì)效益顯著提升的效果。該方案普適性強(qiáng)，適用于國(guó)內(nèi)早期裝機(jī)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，是提升我國(guó)存量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力的有效手段。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜傳.提高雙饋型風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2011.