論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增功提效技術(shù)方法

國(guó)家電投集團(tuán)內(nèi)蒙古新能源有限公司 侯玉林 李敬陽(yáng) 呂玲瓏 薛志強(qiáng)

風(fēng)力發(fā)電依靠風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪正對(duì)風(fēng)向時(shí)，風(fēng)輪得到風(fēng)能的推力最大。為保證風(fēng)輪隨時(shí)都迎著風(fēng)向，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中設(shè)有偏航系統(tǒng)。當(dāng)裝在機(jī)艙頂部的風(fēng)向標(biāo)測(cè)得風(fēng)輪不正對(duì)風(fēng)向時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出偏航指令，通過(guò)偏航系統(tǒng)使機(jī)艙和風(fēng)輪繞塔架的垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的目的。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的輸出功率是隨風(fēng)速增大而提高的，風(fēng)速太大會(huì)使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過(guò)快和發(fā)電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，這些均會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生運(yùn)行事故。為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)中都設(shè)有限速安全裝置以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使之在一定風(fēng)速范圍內(nèi)保持基本不變，以便風(fēng)力發(fā)電機(jī)能在不同風(fēng)況下穩(wěn)定運(yùn)行。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動(dòng)優(yōu)化

1.1 葉片安裝渦流發(fā)生器

渦流發(fā)生器是飛機(jī)零部件，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身和飛機(jī)機(jī)翼，隨著大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)的不斷革新，渦流發(fā)生器也被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片表面。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪由葉片和輪轂組成，葉片的氣動(dòng)性能直接影響到風(fēng)輪吸收風(fēng)能的效率，最終影響機(jī)組發(fā)電量。沒(méi)有渦流發(fā)生器的葉片表面的氣流是平滑通過(guò)葉片的，葉片運(yùn)行在大攻角時(shí)，葉片表面氣體動(dòng)能不足以維持附著流狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生邊界層分離，葉片升力大幅下降、阻力大幅增加。隨著攻角的增大分離現(xiàn)象更為明顯，極大影響葉片吸收風(fēng)能的能力，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力下降。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片安裝渦流發(fā)生器之后，氣流通過(guò)渦流發(fā)生器后會(huì)形成相互纏繞的渦流，這種渦流可讓氣流緊貼于葉片上，有效抑制或延遲氣流分離，提高葉片升力、降低阻力，風(fēng)輪可獲得更大的推力。即使槳葉角度進(jìn)一步加大，也可有效防止氣流形成紊流，防止失速現(xiàn)象的發(fā)生。因此，葉片增加渦流發(fā)生器可有效提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量。

1.2 葉片安裝襟翼Flap

襟翼被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼。襟翼片能夠增加機(jī)翼的面積、改變機(jī)翼彎度，同時(shí)還會(huì)形成一條或幾條縫隙，增加飛機(jī)機(jī)翼面積可提高升力。形成的縫隙可使下表面的氣流經(jīng)縫隙流向上表面，使上表面的氣流速度提高，可較大范圍保持層流、也可使升力增加，并能減少失速現(xiàn)象的發(fā)生。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造技術(shù)的不斷更新迭代，該技術(shù)可應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片上，安裝于葉片后緣方向外部區(qū)域，增大葉片與風(fēng)的接觸面積，使葉片的氣動(dòng)特性得到優(yōu)化，有效的增大了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的升阻比，提高風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的能力，達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量提升的目的。

綜上，通過(guò)安裝渦流發(fā)生器和襟翼可提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的升力，進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的氣動(dòng)性能，達(dá)到增功提效發(fā)電量增收的目的。針對(duì)行業(yè)內(nèi)不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型及風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)機(jī)組實(shí)際風(fēng)況，上述兩個(gè)方法需對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的硬件安裝分別進(jìn)行專業(yè)定制化設(shè)計(jì)。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制軟件優(yōu)化

2.1 偏航對(duì)風(fēng)矯正技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)風(fēng)向標(biāo)的安裝工藝及標(biāo)定的不準(zhǔn)確、長(zhǎng)期運(yùn)行后部件老化或螺絲松動(dòng)、以及自身和周邊機(jī)組尾流的影響，都會(huì)使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)實(shí)際獲取的偏航對(duì)風(fēng)角度與真實(shí)值之間存在誤差，從而導(dǎo)致偏航系統(tǒng)計(jì)算的偏航對(duì)風(fēng)角度偏差不準(zhǔn)確。由此給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來(lái)發(fā)電量上的損失以及不平衡載荷的增加。

根據(jù)風(fēng)能公式W=0.5ρV3S（式中：W為風(fēng)能，單位為kg·m2·s-3；ρ為空氣密度，單位kg/m3；V為風(fēng)速，單位m/s；S為截面面積，單位m2），風(fēng)速與風(fēng)能呈立方關(guān)系，風(fēng)向誤差損失的發(fā)電量介于風(fēng)能余弦平方與余弦立方分量之間。大體數(shù)值為：偏差誤差5°發(fā)電量損失1%、偏航誤差10°發(fā)電量損失4%、偏差誤差15°發(fā)電量損失8%。偏航對(duì)風(fēng)矯正技術(shù)采用場(chǎng)控機(jī)器學(xué)習(xí)算法和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組程序優(yōu)化偏航對(duì)風(fēng)補(bǔ)償相結(jié)合的方法，可通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)快速確定機(jī)組當(dāng)前的最佳對(duì)風(fēng)角度，提高機(jī)組的對(duì)風(fēng)精度，增強(qiáng)風(fēng)輪的捕風(fēng)能力。

偏航對(duì)風(fēng)矯正技術(shù)策略分為兩種類型：一為基于主控系統(tǒng)集成在PLC控制器中的偏航對(duì)風(fēng)補(bǔ)償校正算法。此方法存在校正時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)電量提升百分比低、數(shù)據(jù)處理能力有限等問(wèn)題；二為場(chǎng)控偏航校正技術(shù)策略，由場(chǎng)控服務(wù)器計(jì)算偏航校正參數(shù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、歷史數(shù)據(jù)可用范圍廣、發(fā)電量提升比例相對(duì)高等優(yōu)點(diǎn)。通常二者相結(jié)合在實(shí)際效能提升應(yīng)用中較為廣泛。

2.2 場(chǎng)群尾流控制

風(fēng)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪之后會(huì)產(chǎn)生尾流，這種尾流會(huì)影響下游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常發(fā)電量。在做可行性研究分析報(bào)告時(shí)，通常尾流影響會(huì)考慮5%的發(fā)電量折減。場(chǎng)群尾流控制技術(shù)是通過(guò)對(duì)上游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行適當(dāng)偏航改變，所產(chǎn)生的尾流方向可降低尾流對(duì)下游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的影響。以全場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量最優(yōu)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，適當(dāng)降低上游風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量來(lái)提升下游機(jī)組發(fā)電量，從而達(dá)到全場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量提升的目標(biāo)。

2.3 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)

機(jī)艙式激光雷達(dá)可測(cè)得風(fēng)輪前方200米風(fēng)速，因此可根據(jù)風(fēng)速來(lái)流情況提前調(diào)整機(jī)組狀態(tài)。如，檢測(cè)到風(fēng)輪前方有一個(gè)較大陣風(fēng)情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可提前收槳防止超速。檢測(cè)到風(fēng)輪前方有一個(gè)較大風(fēng)速塌陷，可提前開(kāi)槳，防止轉(zhuǎn)速下降過(guò)低。通過(guò)上述提前變槳?jiǎng)幼?，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出可變得更加平穩(wěn)，降低載荷的同時(shí)發(fā)電量也可得到相應(yīng)的提升。通過(guò)對(duì)比開(kāi)啟、關(guān)閉激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)前后風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的輸出，明顯可見(jiàn)開(kāi)啟激光雷達(dá)后功率輸出更加平穩(wěn)。另外，通過(guò)激光雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)向進(jìn)行偏航校正也可進(jìn)一步提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量。

2.4 切出風(fēng)速優(yōu)化技術(shù)

切出風(fēng)速是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電的最大風(fēng)速，超過(guò)此風(fēng)速機(jī)組將切出電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切出風(fēng)速優(yōu)化是指在保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全的情況下，通過(guò)某些控制策略將機(jī)組的切出風(fēng)速進(jìn)一步提高，以減少頻繁高風(fēng)速機(jī)組切出造成的發(fā)電量損失。該優(yōu)化方式適合高風(fēng)速較多的風(fēng)力發(fā)電廠。

2.5 最優(yōu)增益自尋優(yōu)技術(shù)

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以及外部環(huán)境條件的變化，會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率相對(duì)于最大功率曲線發(fā)生偏移，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在MPPT段(最大功率點(diǎn)追蹤)使用最優(yōu)增益進(jìn)行扭矩控制，期望實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保持最優(yōu)Cp運(yùn)行，對(duì)于理想的穩(wěn)態(tài)的風(fēng)況，可實(shí)現(xiàn)上述控制目標(biāo)。而對(duì)于風(fēng)力發(fā)電廠真實(shí)的湍流風(fēng)況，受季節(jié)性環(huán)境溫度變化、空氣密度等因素影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總是運(yùn)行在最優(yōu)Cp左右附近區(qū)域，最優(yōu)Cp在不同環(huán)境溫度下對(duì)應(yīng)最優(yōu)增益不同。為實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)環(huán)境變化自適應(yīng)調(diào)整最優(yōu)增益，可通過(guò)最優(yōu)增益自尋優(yōu)技術(shù)尋找適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的最優(yōu)增益值，動(dòng)態(tài)調(diào)整最佳轉(zhuǎn)速時(shí)的比例常數(shù)、優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制，達(dá)到機(jī)組發(fā)電量提升目的。

2.6 葉尖速比自尋優(yōu)技術(shù)

葉尖速度與風(fēng)速的比值為葉尖速比，這個(gè)參數(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最關(guān)鍵的參數(shù)，葉尖速比不但影響葉片自身的特性，還會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行曲線，從而影響發(fā)電量。現(xiàn)代兆瓦級(jí)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，基本都是采用變速變槳控制方案。在額定風(fēng)速以下的大部分風(fēng)速段，通過(guò)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在設(shè)計(jì)的葉尖速比下，從而最大程度地捕獲風(fēng)能。葉尖速比自尋優(yōu)技術(shù)策略的目標(biāo)，是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前環(huán)境下的最優(yōu)葉尖速比，讓機(jī)組始終保持在最佳運(yùn)行工況之下。

2.7 智能偏航控制技術(shù)

智能偏航控制技術(shù)是通過(guò)獲取當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)偏差和當(dāng)前功率輸入，計(jì)算偏航對(duì)風(fēng)偏差矯正后、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的額外發(fā)電量提升和在此偏航過(guò)程中損耗發(fā)電量的關(guān)系，制定不同的偏航控制策略，以確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速盡可能少偏航、以減少機(jī)組自身?yè)p耗；在過(guò)渡段偏航系統(tǒng)盡可能敏感，使機(jī)組盡可能對(duì)風(fēng)，提升機(jī)組出力；在高風(fēng)速段，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組降低對(duì)風(fēng)向偏差的敏感性，減少機(jī)組偏航頻次，降低在大湍流工況下由于頻繁偏航可能帶來(lái)的機(jī)組載荷的增加，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠性。同時(shí)，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航解纜，智能偏航控制技術(shù)通過(guò)采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙的位置數(shù)據(jù)和當(dāng)前風(fēng)速數(shù)據(jù)，設(shè)定小風(fēng)解纜、強(qiáng)制解纜和額定風(fēng)速段不解纜的控制策略，以減少大風(fēng)解纜造成的發(fā)電量損失。

2.8 功率精細(xì)化控制技術(shù)

由于部分風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)的氣候和環(huán)境比較惡略，葉片氣動(dòng)特性可能受到環(huán)境因素影響變化明顯，風(fēng)能與電能間轉(zhuǎn)換平衡度也會(huì)存在變化，從而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組未能達(dá)到最佳的風(fēng)能利用效率。為獲得最佳的風(fēng)能利用效率，提升風(fēng)能與電能轉(zhuǎn)換平衡度，采用功率精細(xì)化控制技術(shù)，通過(guò)自動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)建立自身動(dòng)態(tài)損耗模型，在不同工況下實(shí)現(xiàn)功率的最優(yōu)控制，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組達(dá)到增功提效的目的，發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)電量增產(chǎn)。

2.9 最優(yōu)功率控制技術(shù)

在保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器、發(fā)電機(jī)及斷路器有足夠安全裕量的情況下，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)自適應(yīng)的調(diào)整額定功率以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)功率控制。同時(shí)，在場(chǎng)控端增加功率PI閉環(huán)控制功能，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)矩的校正與機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)形成閉環(huán)控制，可有效避免因外部環(huán)境、電氣損耗造成的上網(wǎng)功率不穩(wěn)定。最優(yōu)功率控制對(duì)額定風(fēng)速附近及以上風(fēng)速的功率有提升效果，具體提升量取決于湍流度和風(fēng)頻。

綜上，在開(kāi)展風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電效能提升工作前，應(yīng)系統(tǒng)的對(duì)風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電效能進(jìn)行綜合評(píng)估，明確存在偏差或存在提升空間和方向，然后針對(duì)性的采取相關(guān)技術(shù)措施改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電效能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動(dòng)硬件優(yōu)化和控制軟件優(yōu)化應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)機(jī)組的實(shí)際風(fēng)況、發(fā)電量、對(duì)風(fēng)角度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)綜合分析結(jié)果，定制化采用上述增功提效方法，解決因風(fēng)資源、環(huán)境、風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)等因素導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電廠發(fā)電量下降問(wèn)題，增加風(fēng)力發(fā)電廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益。