風電機組功率曲線的優化研究

劉保松，劉曉光

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

風電機組功率曲線的優化研究

劉保松，劉曉光

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

針對實際功率曲線與理論功率曲線在風速8～12m/s之間相差較大的情況，本文提出：通過提高額定轉速或者提前變槳兩種措施優化了功率曲線，減少了實際功率曲線與理論功率曲線的差距。同時通過對載荷的進一步分析，確認機組的強度不會受兩種措施的影響，從而論證了這兩種措施可行性，為功率曲線優化提供一種切實可行的方法。

功率曲線；載荷分析；額定轉速；空氣密度

0　引言

目前，大多數風電機葉片在風場均出現功率曲線問題，具體表現為：冬夏季節功率曲線差別較大，冬季實際功率曲線與標準功率曲線一致性較好，夏季實際功率曲線與標準功率曲線一致性較差。通過對葉片氣動性能以及風場運行條件的分析，可知夏季空氣密度較低，機組在高風速段（8～12m/s）運行尖速比較低，而這些葉片在低尖速比區域風能利用系數Cp值卻比較小，因此現場功率曲線在高風速段比較差。同時這些葉片的失速特性也比較差，空氣密度較低時易失速，也會造成功率曲線的下降[1～5]。

1　功率曲線優化的方法

為了改善目前機組的功率曲線，可以從兩方面入手：1）提高額定轉速，將機組盡可能運行在較高的尖速比區域；2）提前變槳，或者增加最小槳矩角。

1.1提高轉速

對于不同空氣密度采用不同的額定轉速，具體數值見表1。

表1　不同空氣密度下的額定轉速

以某廠家A型葉片（葉片長度為37.3m）和某廠家B型葉片（葉片長度為37.5m）作為研究對象。

1.1.1空氣密度≤1

對于風場空氣密度比較低的季節可以將轉速提高到19rpm。圖1～圖3分別給出A葉片、B葉片提轉速前后功率曲線比較。

圖1　空氣密度0.8時提轉速前后功率曲線比較a）A葉片b）B葉片

圖2　空氣密度0.9時提轉速前后功率曲線比較a）A葉片b）B葉片

圖3　空氣密度1時提轉速前后功率曲線比較a）A葉片b）B葉片

表2　提轉速前后年發量對比

1.1.2空氣密度1～1.1

對于風場空氣密度比較低的季節可以將轉速提高到18.5rpm。圖4分別給出A、B葉片提轉速后的功率曲線比較。

1.1.3空氣密度1.1～1.225

對于風場空氣密度比較低的季節可以將轉速提高到18rpm。圖5分別給出A、B葉片提轉速后的功率曲線比較。

圖4　空氣密度1.1時提轉速前后功率曲線比較a）A葉片b）B葉片

表3　提轉速前后年發量對比

圖5　空氣密度1.225時提轉速前后功率曲線比較a）A葉片b）B葉片

表4　提高轉速前后年發量對比

總之，根據風場不同月份或者季節的平均氣壓和溫度，計算得到空氣密度來決定提高后的轉速。此外，如果因發電機和變流器的不同配置而限制轉速的提高，可以通過結合其他方法，如提前變槳或者增加最小槳矩角來解決功率曲線問題。

1.1.4提轉速機組載荷分析

為了對提轉速后機組的載荷進行分析，這里分別對三種極端情況進行了載荷計算。

Case 1：考慮最高轉速，即轉速為19rpm、空氣密度1kg/m3；

Case 2：考慮最大空氣密度，即轉速18rpm、空氣密度1.225 kg/m3；

Case 3：標準設計，即轉速17.3rpm、空氣密度1.225 kg/m3。

下面分別將case1與case3的極限和疲勞載荷進行了對比，以分析在case1的情況下機組載荷的變化對部件的強度影響。

在空氣密度為1kg/m3，將機組的額定轉速提高到19rpm后，機組各部件的極限載荷基本沒有增加，因此靜強度沒有問題。

表5　極限載荷case1/case3

表6　疲勞載荷case1/case3

對比疲勞載荷，發現葉根Mx和塔底Mx比標準設計載荷分別大了6.7%和3.21%，但是將葉根載荷與1.5MW機組的包絡載荷對比為95.33%，同時塔底等效疲勞載荷Mx比My小，所以對比My為92.03%，因此機組各部件的疲勞強度也沒問題。

下面分別將case2與case3的極限和疲勞載荷進行了對比，以分析在case2的情況下機組載荷的變化對部件的強度影響。

在空氣密度為1.225kg/m3，將機組的額定轉速提高到18rpm后，對比極限載荷，葉根Mxy增加5.3%、輪轂Myz增加5.87%、塔頂Mxy增加1.12%，但是將這些載荷與1.5MW機組包絡載荷對比分別為71.59%、104.4%、100.4%。因此再通過分析相關部件的靜強度余量，最終確定機組的靜強度沒有問題。

表7　極限載荷case2/case3

表8　疲勞載荷case2/case3

對比疲勞載荷，發現葉根Mx增加3.09%、輪轂My增加6.82%、塔頂My增加5.56%、塔底My增加3.69%，但是與1.5MW機組的包絡載荷對比葉根為92.1%，塔底為95.63%，同時將輪轂和塔頂增加的載荷進行相關部件的疲勞強度余量分析，最終確定機組各部件的疲勞強度也沒問題。

1.2提前變槳

當現場空氣密度比較低時，風輪葉片在高風速段進入失速狀態。因此也可以通過提前變槳或者增加槳矩角來改變葉片在該運行區域的特性。

圖6給出了不同空氣密度下提前變槳的功率曲線對比。

圖6　不同空氣密度下提前變槳前后功率曲線對比

從上圖可知，當空氣密度從0.8增加到1時，提前變槳的效果越來越小。因為提前變槳雖然可以避免失速，但是它也會限制不失速情況下的功率。因此，只有當現場的空氣密度比較小時，提前變槳才是有效改善功率曲線的措施。并且對于不同的現場情況，需要不斷調試提前變槳的控制參數才能得到好的結果。所以該措施需要在現場不斷調試控制參數。

2　結語

以上對機組額定轉速和提前變槳控制參數的優化，改善了功率曲線。同時通過對載荷的進一步分析，確認機組的強度不會有影響。此外，從葉片角度來分析，可以建議增加渦流發生器（VG）來提高發電量，但是這些必須綜合考慮成本和現場可行性。

在風場的實施階段，還必須結合發電機和變流器的具體配置來決定轉速的提高程度。如果因變流器過壓的影響限制轉速的提高，在低空氣密度條件下，可以結合提前變槳來優化發電量。

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Optimization Research of Wind Turbine Power Curve

LIU Bao-song，LIU Xiao-guang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Under large difference situation between the actual power curve and the theoretical power curve at wind speed from 8 to 12m/s，this paper puts forward：the gap between the actual power curve and the theoretical power curve has reduced by takeing the two kinds of measures，which improving the rated speed or changing the pitch in advance to optimize the power curve.Meanwhile，Through further analysis study on the load to confirm the strength of the unit will not be affected by this two kinds of measures，it demonstrates that the measures are feasibility，and it provides a feasible method for power curve optimization.

power curve；load analysis；rated speed；air density

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.009

TM315

B

2095-3429（2015）05-0036-05

劉保松（1986-），男，江西上饒人，碩士，工程師，從事風電機組優化分析工作。

2015-08-19

2015-09-12