風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航誤差及其對(duì)風(fēng)機(jī)出力影響的分析與優(yōu)化應(yīng)用

水發(fā)興業(yè)能源（珠海）有限公司 奉順林 劉伶林 張 玲

1 引言

截至2022年年底，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)3.96億kW，其中陸上3.6億kW，海上3051萬kW[1]。國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，但是大部分風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)情況并不理想，風(fēng)電機(jī)組的出力性能無法達(dá)到預(yù)期，存量風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的出力性能直接影響到風(fēng)電場(chǎng)的整體收益，故而業(yè)主單位對(duì)風(fēng)電機(jī)組的出力性能越來越關(guān)注，而風(fēng)電機(jī)組偏航誤差是影響風(fēng)電機(jī)組出力的因素之一，本文擬從風(fēng)電機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)角對(duì)機(jī)組功率曲線的影響進(jìn)行分析，通過優(yōu)化控制程序彌補(bǔ)對(duì)風(fēng)角誤差，從而提升風(fēng)電機(jī)組的出力性能。

2 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)指標(biāo)概述

風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的工作原理是風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)能（吸收風(fēng)中的動(dòng)能），旋轉(zhuǎn)動(dòng)能通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，切割磁感線進(jìn)而產(chǎn)出電能[2]。

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電市場(chǎng)成熟的風(fēng)電機(jī)組均為水平軸、變槳變速、主動(dòng)偏航的風(fēng)機(jī)，故本文以水平軸、變槳變速、主動(dòng)偏航風(fēng)力發(fā)電機(jī)組展開分析。

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)指標(biāo)主要包括發(fā)電量、風(fēng)電場(chǎng)可利用率、場(chǎng)用電率、上網(wǎng)電量、風(fēng)機(jī)可利用率和風(fēng)功率曲線符合度等。風(fēng)電場(chǎng)效益的好壞最直接的體現(xiàn)是發(fā)電量的高低，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量的高低主要由可利用率和風(fēng)機(jī)出力性能兩個(gè)指標(biāo)決定。風(fēng)機(jī)可利用率和風(fēng)電場(chǎng)可利用率與機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、安裝質(zhì)量直接相關(guān)，可利用率一般指時(shí)間可利用率，可利用率高的機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，風(fēng)機(jī)故障率低[3]。風(fēng)機(jī)出力性能則表示風(fēng)機(jī)從風(fēng)中吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化效率，風(fēng)機(jī)出力性能與風(fēng)電機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)、制造、安裝質(zhì)量及機(jī)組的控制直接相關(guān)，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來，安裝到風(fēng)電場(chǎng)，調(diào)試完成后，風(fēng)機(jī)出力性能主要與機(jī)組的控制與響應(yīng)有關(guān)，本文主要從偏航對(duì)風(fēng)控制誤差對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響的角度進(jìn)行分析，通過分析得到機(jī)組功率曲線與偏航角度誤差的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)偏航角度進(jìn)行修正，評(píng)估其對(duì)功率曲線的影響。

3 偏航誤差對(duì)機(jī)組出力性能的影響及產(chǎn)生原因分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)功率計(jì)算:

式中，P—有功功率（kW/h）；ρ—空氣密度（kg/m3）；A—掃風(fēng)面積（m2）；Cp—功率因素；v—風(fēng)速（m/s）；θ—對(duì)風(fēng)夾角（°）。

對(duì)于已經(jīng)安裝調(diào)試的風(fēng)電機(jī)組，A、Cp已經(jīng)確定，ρ、v為外界環(huán)境因素，不可改變，假設(shè)機(jī)組的控制對(duì)ρ、v的響應(yīng)為理想狀態(tài)，則影響風(fēng)功率的因素僅有對(duì)風(fēng)夾角（偏航對(duì)風(fēng)角度），機(jī)組在完全對(duì)風(fēng)的情況下（θ=90°），sinθ=1，即機(jī)組出力最佳，若機(jī)組出現(xiàn)偏航誤差，則sinθ<1，會(huì)導(dǎo)致有功功率降低。

機(jī)組偏航誤差產(chǎn)生的原因主要有以下兩個(gè)方面。一方面是風(fēng)向時(shí)刻處于不斷變化的狀態(tài)，風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)風(fēng)向儀的信號(hào)進(jìn)行偏航控制對(duì)風(fēng)；一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)向儀安裝在機(jī)艙上，葉輪的后方，風(fēng)在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的葉輪后受到葉輪旋轉(zhuǎn)力的影響會(huì)導(dǎo)致風(fēng)向產(chǎn)生變化，風(fēng)向檢測(cè)到的風(fēng)向?yàn)槭茱L(fēng)輪影響后的風(fēng)向，已經(jīng)產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)，故而產(chǎn)生了偏航對(duì)風(fēng)誤差；另一方面是機(jī)組偏航通過齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，齒輪傳動(dòng)存在一定的間隙，可能會(huì)產(chǎn)生傳動(dòng)的累積誤差，進(jìn)而導(dǎo)致偏航對(duì)風(fēng)誤差。

在額定風(fēng)速以下，葉輪在不同的風(fēng)速下旋轉(zhuǎn)速度不一樣，其對(duì)風(fēng)向的影響大小也不一樣，故而其偏航對(duì)風(fēng)誤差也有差異[4]。不同風(fēng)速下葉輪旋轉(zhuǎn)速度對(duì)風(fēng)向的影響，可以采用數(shù)值模擬或?qū)嶋H運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析兩種方法獲得，本文從實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的角度對(duì)偏航誤差對(duì)風(fēng)機(jī)出力性能影響進(jìn)行分析。

4 風(fēng)電場(chǎng)實(shí)例分析

本次收集到云南某風(fēng)電場(chǎng)一年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，此風(fēng)電場(chǎng)為復(fù)雜山地風(fēng)電場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)安裝了10臺(tái)2MW的水平軸直驅(qū)型變槳變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，機(jī)組輪轂高度85m，葉輪直徑115m。風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位點(diǎn)排布如圖1所示。

圖1 云南某風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位點(diǎn)排布

數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化方法介紹。

一是提取特定機(jī)組風(fēng)機(jī)正常發(fā)電（并網(wǎng)）的運(yùn)行數(shù)據(jù)，抽取風(fēng)速、對(duì)風(fēng)角度、有功功率，以風(fēng)速0.5m/s為區(qū)間進(jìn)行分段，生成對(duì)風(fēng)角度-有功功率散點(diǎn)圖，同時(shí)在散點(diǎn)圖上采用多限式擬合方式擬合得到曲線。

二是根據(jù)散點(diǎn)圖擬合得到的曲線，求出所有曲線的頂點(diǎn)，將所有頂點(diǎn)串聯(lián)成一條線，得到最佳偏航對(duì)風(fēng)角，并以圖形方式呈現(xiàn)。

三是根據(jù)擬合得到的偏航對(duì)風(fēng)角，求取最大轉(zhuǎn)換效率風(fēng)速段偏航對(duì)風(fēng)角的平均值，將求得的偏航對(duì)風(fēng)角平均值作為對(duì)風(fēng)角偏差角輸入對(duì)應(yīng)機(jī)組控制程序，刷新控制程序。

四是程序刷新后，讓機(jī)組運(yùn)行1～3個(gè)月時(shí)間，提取運(yùn)行數(shù)據(jù)。

五是將刷新程序前1～3個(gè)月和刷新程序后的運(yùn)行數(shù)據(jù)分別擬合得到一條功率曲線，放在同一個(gè)圖形界面進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)得到功率曲線平均提升比率。

六是將兩條擬合功率曲線與風(fēng)電場(chǎng)歷史實(shí)測(cè)年風(fēng)速分布情況結(jié)合計(jì)算得到兩個(gè)年發(fā)電量值，計(jì)算得到年發(fā)電量提升比率。

本報(bào)告以F1機(jī)組為例，對(duì)機(jī)組的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)以上步驟1得到了各風(fēng)速段的散點(diǎn)及擬合曲線圖，現(xiàn)提供典型風(fēng)速段散點(diǎn)及擬合曲線如圖2所示。

圖2 F1機(jī)組6.5m/s風(fēng)速段對(duì)風(fēng)角-有功功率散點(diǎn)及擬合曲線

根據(jù)以上步驟2得到F1機(jī)組對(duì)風(fēng)角-有功功率曲線如圖3所示。

圖3 F1機(jī)組對(duì)風(fēng)角-有功功率擬合曲線

從以上擬合曲線可以看出，在3.5～7m/s其對(duì)風(fēng)角偏差約為-13°，隨著風(fēng)速的增大，其對(duì)風(fēng)角逐漸縮小，但對(duì)風(fēng)角偏差基本在-10°以上。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)F1機(jī)組的偏航控制角度進(jìn)行修正，加入偏差角-13°，運(yùn)行一段時(shí)間后，提取修正前后的功率曲線進(jìn)行對(duì)比，得到功率曲線如圖4所示，F(xiàn)1機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)角修正前后功率曲線變化見表1。

表1 F1機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)角修正前后功率曲線變化

圖4 F1機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)角修正前后功率曲線對(duì)比

從以上圖表可以看出，修正后功率曲線出現(xiàn)了向左偏移現(xiàn)象，整體功率曲線平均提升率約為1.19%，結(jié)合全年風(fēng)資源情況，推算可增加年發(fā)電量約4.7萬kWh，年發(fā)電量提升率為1.07%。

通過此方法對(duì)全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分析優(yōu)化后，經(jīng)過1個(gè)月的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，整體功率曲線平均提升率約為1.6%，推算年發(fā)電量提升率為1.45%。

5 結(jié)語

因風(fēng)向儀安裝在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙尾部，受到風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)力的影響，導(dǎo)致風(fēng)向儀不能反映風(fēng)機(jī)實(shí)際來流方向風(fēng)向，風(fēng)電機(jī)組利用風(fēng)向儀信息進(jìn)行偏航，故而導(dǎo)致了風(fēng)電機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)角與實(shí)際來流風(fēng)向存在一定偏差，進(jìn)而導(dǎo)致了機(jī)組出力性能的降低。

本文通過對(duì)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出風(fēng)電機(jī)組實(shí)際對(duì)風(fēng)角偏差值，進(jìn)而對(duì)風(fēng)角偏差進(jìn)行修正，通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，功率曲線得到了改善，功率曲線平均提升率達(dá)到了1.6%以上，發(fā)電量提升了1.45%以上。

從擬合對(duì)風(fēng)角—有功功率曲線圖可以看出，不同風(fēng)速段下，最佳對(duì)風(fēng)角是變化的，本文僅呈現(xiàn)了一個(gè)平均偏航對(duì)風(fēng)角偏差修正的功率曲線及發(fā)電量提升方法，理論上來說，可以針對(duì)不同的風(fēng)速段采取不同的偏航對(duì)風(fēng)角修正，進(jìn)而獲得更大的年發(fā)電量收益。