計及損耗的風電機組運行指標基準值研究

曹陽

國電電力山西新能源開發有限公司 山西大同 037000

1 風電機組優化指標體系建立

風能通過風力渦輪機轉換成機械能，并且機械能通過變速箱傳遞到發電機并由發電機轉換成電能。根據風電機組運行期間的能量流動，風力渦輪機的部件分為三部分：風力渦輪機，傳動系統和發電機系統。在將風能轉換為電能的過程中，風電機組運行能量損耗如圖1所示。

圖1 風電機組運行能量損耗圖

1.1 風力機損耗

風力發電機中，風力機產生損耗的原因為：①風輪下游旋轉尾造成的損失；②有限的葉片數量以及附著的葉尖損失；③氣動阻力。風輪產生的功率為：

式中：為無量綱葉尖速比；Θ為槳距角；為風力機旋轉角速度；n為風力機旋轉速度；R為風力機風輪半徑。

在風輪傳遞過程中影響風輪效率的主要因素是風速，葉輪速度和俯仰角。因此，選擇風速，葉輪速度和槳距角作為影響風力渦輪機損失的相關參數。

1.2 傳動系統損耗

齒輪箱功率損失主要包括攪油損失、齒輪嚙合損失和軸承摩擦損失。

通過主驅動系統的損耗分析，齒輪箱速度和齒輪箱負載是影響傳動效率的因素。該裝置在運行過程中承受正常載荷和沖擊載荷，但載荷的實時監測仍處于研究階段；同時，通過一般計算難以獲得齒輪嚙合點的滑動速度。

通過發電機的損耗分析，可以得到發電機轉速，定子電流，轉子電流，磁感應和磁場交變頻率，作為影響機組效率的因素。因此，選擇電網電壓，電網電流，發電機軸承溫度，電網頻率，發電機定子繞組溫度和發電機速度作為雙饋發電機效率的相關參數。

2 實例分析

為了驗證該方法的有效性，以某風電場2MW并網風電機組為研究對象，每5min采集一次數據。選取2017年4月到10月的61618組歷史數據，并進行分析。2MW雙饋風電機組信息為：額定功率為2000kW，額定風速為9．2m/s，切入風速為3m/s，切出風速為20m/s。

2.1 選取研究的風速區間

影響機組有功功率大小的決定因素是風速。選取從4月到9月的52898個風速數據，根據頻率劃分機組的工況，4月到9月風速-概率曲線如圖2所示。

圖2 風速-概率曲線

由圖2可知，風速在5-7m/s時的頻率為0．31，高于其他風速區間，其中在5-6m/s的占51%。因此選取風速在5-6m/s時的機組歷史數據作分析。

2.2 因子分析

采樣充分度量和Bartlett測試是對5-6米/秒單位的歷史有效數據進行的。試驗結果表明，運行參數之間存在較強的相關性，優化參數指標體系的24個參數指標具有較強的通用性，適用于因子分析。特征因子礫石特征圖如圖3所示。從圖3中可以看出，特征值在第六主成分后逐漸變平，表明前六個因子所代表的24個運行參數的線性組合可以完全解釋風速為5-6米/秒的機組運行狀態。因此，選擇前六個因子作為操作參數的公因子。

圖3

2.3 運行參數的基準值

對應于集群中心的運行參數是在5-6m/s風速下單元運行參數的參考值。表中顯示了5-6m/s的設備運行參數的參考值。集群中心是從歷史數據中選擇的數據，與集群中心對應的運行參數是當前狀態下單元的更好值。集群中心用作參考基準，不僅考慮了設備的運行狀態，還優化了設備的有用功率，最終增加了設備的發電量。

運行參數 聚類中心1 2 3 4 0.36 0.31 0.60 0.30 v 5.30 5.60 5.80 5.40 p 444.00 500.00 469.00 444.00 n1 10.44 10.67 10.55 10.37 θ 0.00 0.00 -0.01 0.03 T1 58.40 59.00 59.50 56.50 T2 62.51 60.40 68.25 65.24 T3 51.30 54.30 53.80 50.70 U1 398.00 396.00 396.00 400.00 I1 367.01 398.98 374.60 366.08 T4 56.52 51.16 58.64 50.82 T5 37.00 40.30 42.80 41.00 T6 42.40 36.60 46.80 41.10 f 50.02 50.04 50.01 50.02 n2 1362.93 1392.79 1377.13 1353.20 T7 9.30 17.90 20.90 18.30 d

表中：d為距離，m；v為風速，m/s；p為有功功率，kW；n1為葉輪轉速，rad/s；θ為槳距角1，T1為齒輪箱高速軸承前端溫度，℃；T2為齒輪箱高速軸承后端溫度，℃；T3為齒輪箱油溫，℃；U1為電網電壓1，V；I1為電網電流1，A；T4為發電機定子1繞組溫度，℃；T5為發電機非驅動端軸承溫度，℃；T6為發電機驅動端軸承溫度，℃；f為電網頻率，Hz；n2為發電機轉速，rad/s；T7為環境溫度，℃。

2.4 機組運行優化前后對比

在使用上述模型獲得全風速下機組運行參數的基準值后，選擇兩天的機組運行數據進行優化。單元優化前后的有功功率如圖4所示。該單元的優化有功功率增量如圖5所示。

圖4 機組優化前后的有功功率曲線

圖5 優化后機組有功功率增量曲線

3 結語

針對運行期間風力發電機組有功功率低，運行狀態差的問題，提出了考慮機組損耗特性的雙饋風力發電機運行指標參考值的研究方法。最后，形成在完全操作條件下單元的操作參數的參考值表。根據運行參數的參考值，在線調整機組的運行狀態；同時，根據新生成的數據不斷更新單元的參考值，以形成閉環。