提升山地風電機組運行質量的策略研究

陳軍，鄭大周

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

提升山地風電機組運行質量的策略研究

陳軍，鄭大周

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

文章分析了風電機組運行過程中的各種指標，提出了影響風電機組運行質量的關鍵指標，針對如何提升山地風電機組關鍵指標提出了應對策略，并對提升機組功率曲線、降低機組故障率進行了應用分析，對提升風電機組運行質量有著重要的意義。

風電機組，運行質量，功率曲線，故障率

0 引言

風電作為應用最廣泛和發展最快的新能源發電技術，已在全球范圍內實現大規模開發應用。截止2015年底，全球累計裝機432.4 GW，國內累計裝機145.1 GW，裝機92 981臺。根據國家能源局制定的風電發展 “十三五”規劃， “十三五”期間風電新增裝機容量將超過80 GW。面對如此大的風電裝機量，風火同價的呼聲越來越高。如何評價風機的運行質量，如何通過不斷的技術進步來提高機組運行質量、降低度電成本，是一個非常現實和緊迫的問題。

1 基本運行指標

在風電發展初期，基于時間的可利用率（TBA）和功率曲線符合性（PCC）是風電運營商主要應用的考核指標。隨著風電技術的不斷進步，基于發電量的可利用率 （PBA）、平均檢修間隔時間（MTBI）和平均機組檢修總耗時（MTOTI）逐步替換前面兩個指標成為評價風電機組運行質量的主要考核指標。按照中國可再生能源學會風能專業委員會制定的 《風力發電機組運行質量綜合評價辦法》陸上風電將根據3個指標按照5∶2∶3的權重進行評價排名。

1.1 基于發電量的風電機組可利用率（PBA）

由于發電量是風電場運行的核心目標，基于發電量的風機可利用率更能反映風電機組的發電性能。計算方法如下：

PBA=[1-機組損失電量/（實際發電量+機組損失電量+非機組原因損失電量）]×100%

此時計算可利用率不僅僅考核故障時間，而且考核機組在故障時間下的損失電量，相當于發電量損失按故障時間的風速情況進行加權處理，簡單來說大風時故障比小風時故障的損失嚴重得多。

為便于理解風電機組各運行狀態下的損失電量，國際電工委員會把風機運行狀態分類分層[1]，如表1所示。

表1 機組運行狀態

其中，根據合同要求P3、P4、P5、P6、P11一般各方約定為0。*是代表數據丟失或者無法量化情況下數值無法具體確定。目前認為可以采用同風場其他風機的同時段統計數據代替。非正常性能可以進一步劃分為由于機組原因造成的非正常性能和由于非機組原因造成的非正常性能。具體可用表2表示。

表2 機組非正常運行工況

續表

計算潛在發電量的關鍵因素在于風速和參考功率曲線。風速可以采用機艙風速、機艙前風速或測風塔折算風速。由于機艙前風速測量成本高，測風塔折算風速不確定度大，因此使用機艙風速是最切實可行的方法。關于參考功率曲線可以采用投標用的擔保功率曲線或機組運行一段時間后SCADA記錄的功率曲線，由于SCADA記錄的實際運行功率曲線有可能無法達到設計功率曲線，或者超出設計功率曲線，而機組是否能夠達到設計功率曲線是反映機組特性的重要指標，因此用合同約定的擔保功率曲線作為計算潛在發電量的參考功率曲線最科學。

1.2 平均檢修間隔時間（MTBI）

平均檢修間隔時間是在統計周期內兩次定期或非定期維護之間間隔的平均值，檢修的次數是計算本指標的核心。檢修次數需遵守以下原則：

（1）檢修事件包括：定期檢修、非定期檢修、計劃性改進、強制停機、暫時停機等；

（2）每臺風機現場維護開關切換至本地則計為一次檢修，相同事件多次將現場維護開關切換至本地定義為一次檢修。相同事件可以持續一天，也可以持續多天。

檢修次數的統計現階段主要采用以工作票記錄為依據，未來將以SCADA記錄的維護開關動作次數為依據。由于存在相同事件多次切換維護開關的可能性，這就要求風機在主控界面有一個維護選擇項，每切換一次維護開關就要在主控中進行選擇區分，定義本次維護切換與上次維護切換是否屬于同一事件，如果屬于同一事件則本次切換操作只上報但不計入MTBI的數據統計。計算方法如下：

MTBI=（統計周期小時數×統計機組臺數）/檢修次數

1.3 平均檢修耗時（MTTI）

平均檢修耗時MTTI是指在規定條件下和規定時間內，風電機組的檢修總耗時 （即檢修停機時間總和）與風電機組的檢修次數之比。計算方法如下：

MTTI=統計范圍內檢修造成的機組停機時間總和/檢修次數

1.4 平均機組檢修總耗時（MTOTI）

平均機組檢修總耗時MTOTI定義為一定時期內平均單臺機組檢修停機消耗的總時間，綜合反映風電機組運行質量和維修服務團隊響應速度、故障診斷、修復效率和備件保障能力。計算方法如下：

MTOTI=Σ （統計周期內每臺機組每次檢修停機時間）/統計機組臺數

以年為統計周期時，且在MTBI和MTTI已知的情況下，平均機組檢修總耗時可用式（1）計算：

2 提升運行質量的方法及應用

2.1 提升功率曲線

按照PBA的定義公式，由于各種損失電量按照擔保功率曲線計算，因此，擔保功率曲線不能約定過高，應是機組正常情況能夠達到值；擔保功率曲線也不能過低，過低在機組投標進行經濟性計算時會提升度電成本，降低產品的競爭力。因此擔保功率曲線采用機組在型式認證時的實測功率曲線是最佳選擇。

提升實際運行功率曲線的目的是為了達到或者超過擔保功率曲線。提升功率曲線可以提高實際發電量，將分母值增大，有利于提升PBA的值。按表2，功率曲線超發，實際上損失電量是負值，也有利于提升PBA。

2.1.1 校正偏航誤差

當風向標對風不準確時，會使機組偏離風向，假如葉輪平面與風向的夾角為φ，則垂直于葉輪平面的風速分量為V'=Vsinφ，此時機組的輸入功率為：

式中：P為輸入風機的能量，kW；Cp為風能利用系數；A為風輪葉片的掃掠面積，m2；ρ為空氣密度，kg/m3；V為風速，m/s。

山地風場除風向變化頻繁外，還有山谷風的影響，由于陸地和大氣比熱不一樣，加上熱脹冷縮和重力效應就產生了山谷風。在這種條件下，風向標有時無法真實反映葉輪風速的主風向。例如在某山地風場通過測試發現，當偏航角度為正時風電機組可以呈現更優的功率曲線，如圖1所示。

圖1 不同偏航角度實測功率曲線對比

通過上述研究可知，風機實際偏航策略需要根據現場風況進行專項優化，根據風況綜合考慮偏航角度和偏航動作的靈敏度才能實現更高的發電量。

2.1.2 消除葉片對零誤差

葉片對零角度出現偏差有兩種情況，情況一：三支葉片零位標注錯誤，造成安裝時葉片的實際零位與安裝零位不一致，這會造成機組在變轉速段損失氣動性能無法達到設計值。情況二：某支葉片零位標注或安裝存在偏差，此時不僅會損失氣動性能還會造成風輪的不平衡，增大機組的振動值。為保證風機按照設計功率曲線運行，必須保證每支葉片的實際零位安裝在相應位置上。

2.1.3 優化控制參數應對大湍流工況

湍流是非常復雜的過程，湍流強度體現的是10 min內風速隨機變化幅值的大小，是10 min平均風速的標準偏差與同期平均風速的比值。隨著湍流強度的增大風電機組重要部件的極限載荷會隨之增大，疲勞載荷也會明顯增加，發電量會遞減[2-3]。大湍流需要風機控制系統加快響應速度，跟蹤最優葉尖速比、或者采用激光雷達測風的前饋控制技術，提前預判風速變化，力爭在每一個風速的瞬間都獲得最大的Cp。

2.2 提高機組運行指標

2.2.1 提升機組PBA

提高風電機組PBA最直接的手段是減少損失電量。即在機組無故障的情況下提高機組實際發電量，減少停機時間（尤其是大風階段）以降低電量損失。從表1可知，降低非運行狀態的潛在發電量的關鍵在于縮短檢修時間，以減小P7、P8、P9、P10。

在提高機組實際發電量方面，全面提升機組的功率曲線是根本，根據實際風況進行控制策略的修正也是必要手段。譬如每個山地風電場甚至每臺風機的風速概率分布都不盡相同，行業內常用威布爾分布雙參數曲線來表達實際風速的分布概率模型，見式（3）：

式中：V為風速，m/s；k為形狀參數；c為尺度參數，m/s。圖2是在年平均風速為6.3 m/s和形狀參數分別為2和2.3時風速概率密度的分布情況。

圖2 風速概率密度分布

由圖2可見，在形狀參數發生變化的情況下，不同風速段的風速概率發生了明顯變化。此時可修改最佳增益Kopt以提高風機發電量，目的是通過促進高頻風段的風能吸收提升總體發電量。某山地風場根據風概率密度分布調整最佳增益Kopt后功率曲線變化如圖3所示。

圖3 不同Kopt下實測功率曲線對比

由圖3可知，風電機組在調整最佳增益后，風電機組在低風速段功率曲線變好，雖然額定風速段功率曲線變差，但是總體發電量比調整前提高了1%。因此不同的風頻分布總是存在一個最佳增益使機組的年發電量最大。風電機組在此種情況下PBA可以獲得最佳結果。

在減少停機電量損失方面，尤其是要減少大風階段的故障停機，這樣才能更好地減少發電量損失。這就需要提高故障預判能力，在小風時段根據情況增加非定期檢修，從而減少大風階段的故障檢修，使故障處于受控階段。提升功率曲線和降低故障率兩方面相互作用，才能更好地提升PBA指標。

2.2.2 提升機組MTBI

MTBI指標的提升將直接帶來運維成本的降低和發電量的提升。提升MTBI的關鍵在于提高機組的部件質量、設計水平和生產運行質量。可以從以下三方面著手：

（1）加強機組可靠性設計。在機組的設計過程中要充分考慮山地環境的特殊情況，在易損關鍵部位增加冗余環節，重視機組的可靠性和全生命周期運行。在可靠性成本增加和維修成本降低之間尋找一個平衡點，使機組運行總費用降低，此時的機組故障次數處于最優狀態。

（2）通過精益生產和精益調試控制機組的產出過程。風電機組在生產過程中全程實現標準化作業，將企業中最優秀的做法固定下來，同時不斷地創新和改進，力求一次做好。機組產出后在樣機階段必須進行嚴格的出廠試驗：通過全功率試驗和電網模擬試驗驗證機組的電氣性能和電網適應能力，通過控制系統的硬件在環測試驗證機組在各種運行工況下的控制性能。在批量產出階段完善機組調試環節，在調試過程中嚴格按照 “調試作業工作指導書”和 “調試證明書”開展工作。在車間精益調試過程中，實現主控、變槳與SCADA一鍵自動化測試，按照項目定版控制程序；使用自主開發的輪轂、機艙自動化調試平臺，實現輪轂、機艙的智能化和自動化調試，消除調試過程中人為干預和操作失誤的影響；使用新開發的變槳控制盒完善輪轂調試內容，增加電源相序、通訊接線、相關邏輯的自動判斷功能。在機艙調試內容上增加偏航系統、液壓系統、剎車系統的調試工作，從而實現車間調試內容的全覆蓋。通過車間的精益調試可以大大提高風電機組的調試質量，加快風場調試速度，同時也會充分發現硬件和軟件問題，提高風電機組的運行穩定性。

（3）嚴格管控機組的運行過程。通過加強培訓不斷提高風場維護人員的專業素質，不斷完善風電機組的運行和檢修操作規范，以保證現場人員在風機運行和定期檢修過程中的工作質量，同時加大風場巡查力度保證風機檢修到位、運行狀態良好。

通過實施以上措施，東方風電在山地風場的機組運行可靠性有了顯著提高。以四川某風場為例，該風場機組的MTBI指標已經逐步提升至1 000 h以上，遠高于行業平均水平。

2.2.3 提升機組MTOTI

縮短機組故障的維修時間，關鍵在于快速鎖定故障類型、及時提供維修備件、制定標準化的檢修流程。通過以下三方面的工作可以提升機組的MTOTI指標：

（1）通過遠程運維服務平臺提高故障的預判能力，加強基于大數據的在線監測技術和故障分析能力。由于遠程運維服務平臺兼顧數據采集、遠程控制、專家診斷和服務管理功能，通過它可以消除早期隱患以避免大部件的損壞。通過平臺建立風機數據 “一機一檔”管理，實現設備全生命周期跟蹤，并通過多維度分析提早發現問題，盡早地進行備件準備及預防性維護。通過故障處理流程、故障樹及解決方案推薦機制來整體提高質保期內故障處理的單位效率及降低現場工程師的人數配比。通過WEB端網頁、手機APP等形式，統一服務標準和體系，提升不同人員工作的一致性和服務質量。遠程運維服務平臺的系統構架如圖4所示。

（2）加強備件管控。風電場的備件供應速度直接影響故障處理時間，尤其是大部件出現故障需要更換，絕大部分故障修復時間都消耗在備件的采購與調度上。這就需要根據備件的易損情況、重要程度建立需求預測模型和分類模型，保證備件供應平穩。同時建立一套完善的備件準入質量保證、備件修復、備件報廢制度，以保證備件的產品質量、二次利用和備件庫的充分利用。

（3）打造戰略供應鏈。戰略供應鏈就是公司與各供應商之間建立合作共贏、協同運作、快速響應的戰略關系。在資金有限的情況下，僅靠公司自身儲備備件已經無法充分滿足行業要求，必須借助供應商的備件儲備。戰略供應鏈在減輕備件資金壓力的同時還避免了備件長期不使用導致失效的風險。另外，戰略供應鏈還可以在故障修復的人員和技術支持上給予公司很大的支撐，通過協同調配資源可以大大提升備件供應速度，縮短故障修復時間。

從上述分析可知，PBA主要考核風電機組的功率曲線和故障停機時間內的電量損失，MTBI主要考核檢修次數，MTOTI主要考核檢修總時間。抓住了問題的核心，不斷針對問題去優化改進才能提高運行質量。

3 結論

全面提升風電機組的功率曲線、降低風電機組故障率是提高運行質量的根本。在山地風場要根據現場風況制定有針對性的控制策略和合適的檢修策略，以提高風電機組基于發電量的可利用率和平均檢修間隔時間、降低風電機組的平均檢修總耗時。其中，以故障預判為基礎合理安排小風階段的非定期檢修是提高風電機組綜合評價指標的重要手段。

提升風電機組的運行質量考驗著一個公司的技術水平、產品質量、故障響應速度、備件供應能力、服務操作能力。需要各方面緊密配合，提升綜合管理水平才能獲得風電機組的最優運行指標。

[1]IEC TS 61400-26-2,Production-based availability for wind turbines[S].UK：BSI Standards Limited，2014.

[2]廖明夫,Gasch R,Twele J.風力發電技術[M].西安:西北工業大學出版社,2009.

[3]歐陽華,巫發明,王靛,等.湍流強度對兆瓦級風電機組的影響[J].大功率變流技術,2013,（3）：82-86.

Research on Improving Running Quality of Wind Turbine on Mountainous Region

Chen Jun，Zheng Dazhou

（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Some important indicators of the wind turbine were analyzed.And the key indicators which can affect the operation of the wind turbine were proposed.In addition,the coping strategy for improve the key indicators of the wind turbine were planned. Raising the power curve and reducing the failure rate were analyzed based on the actual application.Therefore,it was very meaningful of this paper to improve the running quality of wind turbine.

wind turbine,running quality,power curve,failure rate

TK89

A

1674-9987（2017）01-072-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.015

陳軍 （1968-），男，碩士，主要從事風力發電設備制造企業的系統管理工作。