風(fēng)電機組能效分析及優(yōu)化研究

劉保松，張 偉，張樂平，許新瑞

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030）

全球氣候變化嚴重影響到人類生存環(huán)境，在此背景下，風(fēng)電作為清潔的可再生能源，受到了世界各國的高度重視并得到快速發(fā)展，截至2020年底，我國風(fēng)電裝機規(guī)模達2.81億kW。但由于工期緊、規(guī)模大等原因，導(dǎo)致風(fēng)電機組投運后存在能效偏低、發(fā)電效益差等問題，因此如何提升風(fēng)電機組能效對促進風(fēng)電行業(yè)發(fā)展具有重要的影響。

1 風(fēng)電機組能效分析

1.1 風(fēng)電機組功率曲線分析

將SCADA秒級數(shù)據(jù)的風(fēng)速、功率，計篩除異常數(shù)據(jù)后，采用標準GB/T 18451.2—2021《風(fēng)力發(fā)電機組功率特性測試》中的方法，將風(fēng)速按1 m/s劃分區(qū)間，根據(jù)下式對每一風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)速平均值和輸出功率平均值。

式中：Vi為第i個區(qū)間的平均風(fēng)速，m/s；Vn，i，j為第i個區(qū)間內(nèi)第j個數(shù)組的風(fēng)速，m/s；Pi為第i個區(qū)間的平均功率，kW；Pn，i，j為第i個區(qū)間內(nèi)第j個數(shù)組的功率，kW；Ni為第i個區(qū)間內(nèi)10 min平均數(shù)據(jù)的數(shù)組個數(shù)。

根據(jù)風(fēng)場提供的8臺風(fēng)電機的SCADA歷史運行數(shù)據(jù)等資料，對風(fēng)電機組運行數(shù)據(jù)進行信息挖掘和處理，根據(jù)合同及相關(guān)標準，對風(fēng)電機組功率曲線一致性進行分析。

由圖1可見，在低于12 m/s的風(fēng)速段，各風(fēng)機的功率曲線均低于保證功率曲線。由此判斷風(fēng)機能效未能充分發(fā)揮，風(fēng)機控制存在一定的問題（偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、變流器性能及控制策略存在問題）。

圖1 各風(fēng)機功率曲線

1.2 偏航性能分析

以風(fēng)向與機艙位置的夾角——錯風(fēng)角為評估風(fēng)電機組偏航性能的指標。通過對錯風(fēng)角-功率圖的對比分析，可以對全場風(fēng)電機組偏航性能評估。將各風(fēng)機正常并網(wǎng)狀態(tài)下進行錯風(fēng)角分區(qū)間，為-14～-10°、-10～-6°、-6～-2°、-2～2°、2～6°、6～10°及10～14°，求取各錯風(fēng)角區(qū)間的功率平均值，其中錯風(fēng)角為0°表示正對風(fēng)，此時功率平均值高于其他錯風(fēng)角區(qū)間功率平均值，表示風(fēng)機的對風(fēng)效果好。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，無論調(diào)整前后，均有部分機組的平均功率最高值未落在-2～2°區(qū)間內(nèi)。風(fēng)機在2～6°或者-6～-2°區(qū)間內(nèi)，偏航對風(fēng)有一定的誤差。

圖2 各機組功率與錯風(fēng)角趨勢圖

1.3 變槳性能分析

1.3.1 分析風(fēng)機是否存在提前變槳情況

選取本風(fēng)場功率曲線一致性較好#4風(fēng)機與功率曲線一致性較差的#7、#8風(fēng)機進行以下分析。通過對機組SCADA數(shù)據(jù)進行處理，得到相應(yīng)功率-槳距角變化圖，分析風(fēng)機是否存在提前變槳、3支槳葉是否同步等問題，從而對風(fēng)電機組變槳性能進行評估。

由圖3可見，#7、#8風(fēng)機在1 150 kW左右就開始變槳，存在一定程度的提前變槳，可能對機組出力造成影響。進一步分析風(fēng)速-槳距角，對比機組相同風(fēng)速下的平均槳距角，分析機組是否通過風(fēng)速來控制變槳。

圖3 風(fēng)機槳距角-功率曲線圖

1.3.2 分析風(fēng)機是否存在槳距角不一致情況

分析#7風(fēng)機槳距角隨時間變化情況，對風(fēng)機的3個槳距角隨時間變化趨勢作圖。

由圖4可知，3個槳距角隨時間變化時完全重合，認為#7機組槳距角之間不存在偏差。

圖4 #7風(fēng)機槳距角-時間曲線圖

1.4 控制參數(shù)分析

（1）分析風(fēng)機轉(zhuǎn)速-功率設(shè)定是否合理。剔除機組的限功率數(shù)據(jù)后，計算各轉(zhuǎn)速段的功率平均值，對比分析相同轉(zhuǎn)速下的功率值。

由圖5可見，在相同轉(zhuǎn)速下，不同風(fēng)機有功功率幾乎完全一致，判斷為功率與轉(zhuǎn)速參數(shù)調(diào)整得較好，控制穩(wěn)定。

圖5 風(fēng)機有功功率-電機轉(zhuǎn)速曲線圖

（2）分析轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩設(shè)定是否合理。剔除限功率數(shù)據(jù)后，分析風(fēng)機的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩散點分布圖，查看各階段的控制策略是否穩(wěn)定及風(fēng)機的控制參數(shù)設(shè)定。

由圖6可見，在相同轉(zhuǎn)速下，3臺風(fēng)機轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制特性相近，#7風(fēng)機在高轉(zhuǎn)速情況下轉(zhuǎn)矩分布更散，控制穩(wěn)定性較弱。根據(jù)散點圖所示，在額定風(fēng)速以下，扭矩變化率較低，在滿發(fā)前的過渡段，轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩散點離散度較大，說明轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩匹配關(guān)系不穩(wěn)定，控制參數(shù)設(shè)置不夠合理。

圖6 風(fēng)機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速散點圖

1.5 葉尖速比分析

分析風(fēng)機的最佳葉尖速比追蹤控制。剔除風(fēng)機的限功率數(shù)據(jù)后，分析風(fēng)機在各個風(fēng)速下的葉尖速比散點圖，判斷風(fēng)機的最佳葉尖速比追蹤控制是否穩(wěn)定，不同風(fēng)機之間是否存在偏差。

由圖7可以看出，#8風(fēng)機在5～8 m/s風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，風(fēng)速-葉尖速比數(shù)據(jù)分布較散，表明在最佳葉尖速比追蹤段存在控制不穩(wěn)定的問題。

圖7 風(fēng)機葉尖速比-風(fēng)速散點圖

2 結(jié)論與建議

通過以上分析，該風(fēng)場存在的主要問題為：①各風(fēng)機的實際曲線均低于保證功率曲線；②除#6風(fēng)機外，其余風(fēng)機錯風(fēng)角在2～6°或者-6～-2°區(qū)間內(nèi)，偏航對風(fēng)存在一定的誤差；③#7、#8機組在1 150 kW左右就開始變槳，存在一定程度的提前變槳；且該機型是依據(jù)風(fēng)速來作為槳距角控制的啟動條件，影響風(fēng)機變槳控制性能；④在滿發(fā)前的過渡段，轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩散點離散度較大，說明轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩匹配關(guān)系不穩(wěn)定，控制參數(shù)設(shè)置不夠合理；⑤最佳葉尖速比追蹤段存在控制不穩(wěn)定等問題，從而導(dǎo)致該風(fēng)場能效偏低。針對上述問題，提出以下建議。

2.1 葉片零位校正

根據(jù)能效分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同風(fēng)機之間的功率曲線差異較大。當(dāng)葉片零位存在偏差時，影響葉片的翼型，導(dǎo)致葉片的氣動性能下降，從而風(fēng)機吸收的風(fēng)能偏低，因此建議對各風(fēng)機開展葉片零位校正工作。

通過手動變槳操作，調(diào)整葉片0位刻度線與變槳軸承0位刻度線對齊，登入控制系統(tǒng)修正葉片槳距角。

2.2 雙PI及智能算法優(yōu)化

目前風(fēng)機采用的控制方法是查表法，由主控程序中給定的靜態(tài)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表進行控制。查表法較容易實現(xiàn)，但控制響應(yīng)慢，控制精度較低。在風(fēng)頻變化較大時，容易產(chǎn)生偏差，并引起風(fēng)機的振動。

雙PI控制：在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速附近采用PI控制，并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之間采用跟蹤最佳尖速比控制的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率最大化，使風(fēng)電機組能夠最大程度地吸收風(fēng)能，從而優(yōu)化風(fēng)機的功率曲線和提升風(fēng)機的發(fā)電量。

采用雙PI控制方法后，主控PLC軟件功率控制功能塊采用了轉(zhuǎn)矩控制和變槳控制相耦合的方式。在風(fēng)速遠小于額定風(fēng)速以下時，通過轉(zhuǎn)矩控制以維持最佳葉尖速比，以追求最大風(fēng)能利用系數(shù)；在額定風(fēng)速以上拐點處，如果風(fēng)速波動很大，就要通過適當(dāng)?shù)淖儤獊韺崿F(xiàn)平滑的過渡。在額定風(fēng)速以上階段，變速和變槳控制器也是同時發(fā)揮作用，通過變速即控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩，使其恒定，從而恒定功率。通過變槳來調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使得其始終跟蹤轉(zhuǎn)速設(shè)置點。實際上，變速變槳通過簡單的PI控制器（如查表法）就可以實現(xiàn)，但是額定風(fēng)速以上風(fēng)機系統(tǒng)模型的強烈非線性使得控制器參數(shù)選擇比較困難，需要特別設(shè)計。變速、變槳2個控制器是同時運行的，為了使其耦合在一起，當(dāng)在遠遠超過額定風(fēng)速或以下時使其中一個或另一個控制環(huán)飽和。因此，在大多數(shù)時間里還是只有一個控制器處于激活狀態(tài)，但是在接近額定點時其可以建設(shè)性地相互作用。

2.3 變槳控制優(yōu)化

（1）在功率輸出環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩給定中增加傳動鏈阻尼，減小傳動鏈震蕩；變槳角度控制環(huán)節(jié)，添加非線性變槳動作，防止大陣風(fēng)時候的過速情況，延長風(fēng)機壽命。

（2）風(fēng)速槳距角控制策略。多臺風(fēng)機在未到額定功率時，變槳過早動作，使風(fēng)機額定風(fēng)速變大，可考慮調(diào)整控制策略，取消根據(jù)風(fēng)速大小給定槳距角的控制方法，采用雙PI進行轉(zhuǎn)矩及槳距角的控制。

本文通過SCADA數(shù)據(jù)詳細分析了偏航、變槳等控制性能，分析風(fēng)電機組能效偏低的原因，并給出了針對性優(yōu)化方案，實際應(yīng)用過程中還應(yīng)結(jié)合技改成本及效益進行選擇。