布拉夫角風電場扇區管理優化分析

文 | 李早，高輝

文 | 李早，高輝

扇區管理技術就是對風電機組在某預先設定的時段、風向、風速區間上實施順槳、停機操作，其目的是在特殊風況下，降低風電機組載荷或減小由于湍流造成的振動對風電機組設備及葉片的危害，以降低發電量為代價確保風電機組安全運行。扇區管理技術在國外風電場的應用已較為成熟，知名的風電機組制造商，如維斯塔斯、西門子等都擁有完整的技術和實際運行經驗。

我國大規模的風電開發始于2007年，近幾年發展勢頭迅猛，已連續五年裝機排名世界第一。但在國內風電場的設計和實際運行中，裝機容量、發電量、投資額往往是關注的重點，對風電機組運行的安全性相對關注較少，對風電場扇區管理技術和方法鮮有報道。

然而，隨著風電開發的突飛猛進，可供選擇的地勢平坦、風能資源豐富、風況穩定的大型風電場場址已較為稀缺。新建風電場選址密集，在實際運行中往往出現設計階段未曾考慮的嚴重尾流疊加效應，可能導致個別風電機組在某個風速、風向的特殊風況下出現超出設計值的疲勞載荷或極限載荷，從而影響風電機組安全運行。同時，由于電網接入、消納問題，大型風電場的棄風限電問題較為嚴重，越來越多的風電場選擇在沿海山地或內陸山地等靠近負荷中心的區域開發。此類地區地形條件復雜，對于個別特殊地理條件的機位，在某些風況下，容易產生較大的湍流，影響機組安全運行。我國南方某風電場就曾發生過由于地形原因，造成個別機位湍流強度過大，引起風電機組振動，導致機艙與塔筒連接螺栓斷裂，險些發生重大事故的案例。

冗余過大的扇區管理設置容易造成不必要的發電量損失，有必要根據風電場的實際運行情況對扇區設置進行優化調整。本文介紹了澳大利亞布拉夫角風電場的扇區管理設置，并通過分析與風速、風向有關的風電機組故障報警，確定風電機組異常振動的高發扇區，在最大限度減小發電量損失的前提下優化扇區設置，既提高了扇區設置的合理性、減少了發電量損失，又保證了機組的安全運行。

布拉夫角風電場扇區管理現狀

一、扇區管理技術

當風電機組在某特殊風況下工作時，如極大風速、湍流強度或機組入流角大于設計值時，可能會造成風電機組葉片、輪轂、機艙、塔筒等重要部件發生嚴重的振動、不均勻受力或扭轉的情況，使得機組整體或局部發生疲勞載荷或極限載荷超出設計值的情況，對風電機組設備造成損害。扇區管理技術就是在特殊風況頻發的特定時段、風向、風速的扇區內，對風電機組實施順槳停機，降低特殊風況對風電機組的損害，以降低發電量為代價，保證風電機組安全運行。

影響風電機組安全運行的風況參數主要有平均風速、最大風速、極大風速、湍流強度和入流角度等，其中過大的湍流會造成風電機組異常振動，是扇區管理的重點。

風電機組承受的有效湍流強度由環境湍流強度和風電機組尾流產生的湍流強度兩部分組成。某區域內異常的環境湍流強度主要由突發極端氣候或復雜地形使穩定氣流發生擠壓、加速、紊亂，從而造成湍流強度發生顯著變化所引起。對于風電場而言，要求湍流強度值不超過0.25。對于正常湍流模型（NTM），湍流強度可由下式給出：

表1 風電機組等級基本參數

其中：IT為湍流強度，Vhub為輪轂高度處10min平均風速，b＝5.6m/s，Iref為風速為15m/s時湍流強度的期望值，可根據風電機組等級按表1選取。

極端風況下湍流強度計算見GB/T 18451.1－2012。

二、布拉夫角風電場扇區管理

布拉夫角風電場位于澳大利亞塔斯馬尼亞州西北角，總裝機容量6.475萬kW，安裝37臺維斯塔斯V66風電機組，單機容量1.75MW，葉輪直徑66m，塔高67m。風電場地處南緯40度至49度之間的西風帶，風能資源非常豐富，是全球容量系數最高的風電場之一，年平均風速11m/s，主風向SW。

風電場風電機組排布如圖1所示，場內地勢較為平坦，風電機組整體排布臨近沿海。由于沿海峭壁海灣地形較為復雜，在特殊風況下會對氣流產生誘導作用，風電場投產運行后，部分機位出現了機艙振動、葉片舞動的現象。針對這種情況，風電場對葉片舞動較為劇烈的CB、EE風電機組實施了扇區管理，見表2。同時，在風電機組機艙內安裝了加速度儀，以更精確地掌握風電機組振動規律。

扇區管理優化

一、扇區管理優化思路

在風電場設計階段，可根據各機位處湍流強度計算結果進行扇區管理設置。然而，在實際運行中，由于復雜氣流、復雜地形以及尾流疊加等因素的影響，實際運行狀態與設計工況往往存在差異，這就需要根據實際運行情況，不斷優化調整扇區管理設置。

圖1 布拉夫角風電場風電機組排布圖

圖2 CB、EE機位風玫瑰圖

表2 CB、EE風電機組現有扇區管理

風電機組運行期間，當發現機組在某風況下出現異常振動時，可以根據實際情況實施扇區管理，統計分析與風向、風速相關的故障報警，確定故障報警頻發的風況，從而科學地優化扇區設置。扇區優化的思路包括：

（1）分析擬優化風電機組機位的風況分布，得出風玫瑰圖，確定現有扇區管理對風頻的覆蓋比例；

（2）統計分析與風向、風況有關的風電機組異常振動造成的故障報警長期數據，確定故障報警頻發的風向扇區和風速區間；

（3）根據故障報警分布規律，優化扇區設置。優化的原則是在最大限度覆蓋異常報警扇區的前提下盡量減少扇區覆蓋面積，同時應盡量避開機位主風向。

二、布拉夫角風電場扇區管理優化

圖2為布拉夫角風電場CB、EE機位的風玫瑰圖，可以看出西南風是主風向。由于地理位置不同，兩個機位風頻分布略有差異，EE機位的西南風頻顯著大于CB機位。現有扇區管理設置分別覆蓋CB、EE風電機組總風頻的14%和23%，由于扇區管理設置，CB、EE風電機組的年平均可利用率分別為84%、78%，顯著低于風電場年平均可利用率97%。

在某特殊風況下產生的過大湍流會造成風電機組發生異常振動，加速度儀會在振動幅值超過限值時向系統發出偏航保護報警（故障代碼891）。另外，由于湍流風的作用，風電機組葉片頻繁變槳，從而觸發液壓系統低壓報警（故障代碼163）。因此分析這兩種故障報警的分布規律就可以確定引起過大湍流強度的風向扇區和風速區間，從而更精確的設置扇區管理。

CB、EE風電機組在一年內發生891和163故障報警情況如下表3。值得一提的是，不僅故障發生時的風向、風速需要分析，在故障造成停機時間內的風向、風速可以認為是位于引起較大湍流強度的風況區間內，也應予以記錄，本文以停機時間內10min平均風向、風速頻次作為分析基礎。

圖3為891、163故障報警扇區分布以及現有扇區管理位置，分析如下：

圖3 故障報警分布和扇區管理優化

表3 CB、EE故障報警統計

表4 CB、EE風電機組優化后扇區管理

對于CB風電機組（圖3a），現有扇區管理覆蓋了51%的891故障報警以及95%停機時間內的風速風向頻次。由圖3a可以看出，在現有扇區設置范圍內，風向在200°－230°之間時，故障報警發生次數較少，并且處于主風向范圍內，可以減小扇區管理面積。同時，風速大于10m/s、風向在250°－260°的區間是891故障報警高發區，應設置扇區管理。

對于EE風電機組（圖3b），現有扇區覆蓋了22%的891故障報警、85%的891故障停機時間內的風向風速頻次，以及28%的163故障、22%的163故障停機時間內的風向風速頻次。由圖3b可以看出，在現有扇區設置范圍內，當風速大于15m/s，風向在290°－340°區間內，故障發生較少，可以取消該扇區設置。同時，無論是891還是163故障，風速5m/s－12.5m/s、風向250°－280°以及風速大于5m/s，風向220°－250°是故障報警的高發區域，應設置扇區管理。

根據以上分析，對CB、EE風電機組扇區管理進行優化，優化后的扇區管理設置見表4。

對于CB風電機組，優化后的扇區管理能夠覆蓋61%的891故障報警、85%的891停機時間內風向風速頻次。同時，覆蓋的總風頻比例降低至10.2%，年平均可利用率可提高至88%。

對于EE風電機組，優化后的扇區管理能夠覆蓋80%的891故障報警、86%的891停機時間內風向風速頻次，以及86%的163報警、89%的163停機時間內風向風速頻次。同時，覆蓋的總風頻比例降低至20%，年平均可利用率提高至81%。

結語

根據風電場的實際運行情況對扇區管理進行優化，能夠在盡量減少扇區管理技術造成發電損失的同時保障風電機組安全運行。本文介紹了基于故障報警統計分析的扇區管理優化方法，并以澳大利亞布拉夫角風電場為例，詳細說明了優化過程。分析表明，通過分析與風況有關的故障報警從而對扇區管理進行優化，可以更科學地優化扇區設置，增加扇區對故障頻發區域的覆蓋面積，并降低對總風頻的覆蓋，提高風電機組可利用率和發電量。