基于激光雷達測風(fēng)儀的風(fēng)電場風(fēng)電機組性能評估研究

付立，劉曉光

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

基于激光雷達測風(fēng)儀的風(fēng)電場風(fēng)電機組性能評估研究

付立，劉曉光

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

針對風(fēng)電機組出質(zhì)保驗收或?qū)嶋H運行中較難準(zhǔn)確實現(xiàn)功率曲線考核評估的問題，提出一種利用激光雷達測風(fēng)儀測風(fēng)數(shù)據(jù)并結(jié)合風(fēng)電機組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，快速實現(xiàn)風(fēng)電場全場風(fēng)電機組SCADA系統(tǒng)風(fēng)速校正及功率曲線和運行性能考核評估的方法。利用該方法對某風(fēng)電場22臺機組的功率曲線及運行性能進行了評估。結(jié)果表明：22臺機組中，#12，#13，#17，#21機組功率曲線較差，運行性能表現(xiàn)異常，存在一定的性能優(yōu)化提升空間。此方法評估準(zhǔn)確、簡單實用，為風(fēng)電機組性能考核評估提供了參考。

風(fēng)電機組；風(fēng)速校正；功率曲線；運行性能；評估

0 引言

近年來，伴隨著我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電機組運行期間產(chǎn)生的種種問題日益浮現(xiàn)，并已嚴(yán)重影響到風(fēng)場的安全運行及經(jīng)濟效益[1-2]。

目前風(fēng)電機組普遍存在的問題，主要表現(xiàn)在功率曲線達不到投標(biāo)保證值、偏航變槳性能差、設(shè)備故障率較高等方面。其中，體現(xiàn)風(fēng)電機組輸出功率隨風(fēng)速變化的功率曲線，是評估風(fēng)機性能的一項重要指標(biāo)[3]。功率曲線考核的關(guān)鍵因素之一是風(fēng)速測量，由于機艙風(fēng)速儀位于葉輪后方，受風(fēng)機尾流影響，測得的風(fēng)速數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確代表風(fēng)電機組所接受的真實自由流風(fēng)速，不能夠準(zhǔn)確反映機組實際風(fēng)速功率曲線。通過目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的激光雷達測風(fēng)儀，對風(fēng)場內(nèi)風(fēng)電機組機艙風(fēng)速儀進行校正，結(jié)合各風(fēng)電機組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，能夠快速對全場機組實際運行功率曲線進行評估，并通過全場對比，找出功率曲線較差的機組，進一步對運行數(shù)據(jù)進行分析，評估機組性能，并提出相關(guān)優(yōu)化方案或建議。

1 SCADA系統(tǒng)風(fēng)速校正

某復(fù)雜地形風(fēng)電場共有22臺額定功率1 650 kW，風(fēng)輪直徑d為82.4 m的風(fēng)電機組，場區(qū)盛行風(fēng)向為N，S。場區(qū)內(nèi)#19機組周圍無大型障礙物，機組東308.9 m(3.7d)、西250.1 m(3.0d)分別沿著東西向山脊布置有#20，#18機組，參考IEC 61400-12-1—2005等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，確定在#19機組東側(cè)約164 m(2.0d)處一海拔高差、地形相近的點位布置激光雷達測風(fēng)儀(如圖1所示)，選取激光雷達測風(fēng)儀測風(fēng)數(shù)據(jù)對#19機組機艙風(fēng)速進行校正。

圖1 激光雷達測風(fēng)儀布置位置示意

根據(jù)場區(qū)內(nèi)各個機位坐標(biāo)及參考IEC 61400-12-1—2005等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以求得#19機組測試干擾扇區(qū)分別為(6.9°，90.5°)和(206.6°，323.9°)，故在后期數(shù)據(jù)處理時需要剔除該風(fēng)向區(qū)間內(nèi)的測風(fēng)數(shù)據(jù)。

根據(jù)同步采集1個月的#19機組SCADA系統(tǒng)風(fēng)速以及激光雷達測風(fēng)儀測風(fēng)數(shù)據(jù)，剔除失測、無效以及干擾扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)后，得到激光雷達測風(fēng)儀輪轂高度處的實測風(fēng)速與同期機組SCADA系統(tǒng)風(fēng)速的相關(guān)性函數(shù)

y=0.866x+0.718 ，

(1)

其中：x為SCADA系統(tǒng)風(fēng)速；y為激光雷達測風(fēng)儀輪轂高度處實測風(fēng)速。

圖3 #12風(fēng)電機組運行散點

由于全場風(fēng)電機組采用的是同一批次風(fēng)速、風(fēng)向儀，故在默認均不存在安裝誤差條件下，可按照上述相關(guān)性函數(shù)，對全場風(fēng)電機組SCADA系統(tǒng)風(fēng)速進行校正。

2 全場功率曲線評估

根據(jù)風(fēng)場提供的10個月的10 min級全場SCADA系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)等信息,對全場風(fēng)電機組進行性能分析，其中SCADA系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)等信息包括風(fēng)速、風(fēng)向、功率、環(huán)境溫度、故障記錄等。在剔除無效數(shù)據(jù)、機組故障狀態(tài)等數(shù)據(jù)后，對所有風(fēng)電機組SCADA系統(tǒng)風(fēng)速按照上節(jié)得到的相關(guān)性函數(shù)進行校正，之后參考標(biāo)準(zhǔn)將所選數(shù)據(jù)組采用區(qū)間法存儲，風(fēng)速范圍劃分為測試風(fēng)機切入風(fēng)速以下1 m/s起，以0.50 m/s整數(shù)倍的風(fēng)速為中心、左右各0.25 m/s的連續(xù)區(qū)間，分別計算各區(qū)間平均風(fēng)速和平均功率，由此得到全場風(fēng)電機組實際運行功率曲線如圖2所示。

圖2 全場風(fēng)電機組功率曲線

由圖2可以看出，#6，#19，#22等機組功率曲線較優(yōu)，#12，#13，#17，#21等機組功率曲線較差，主要表現(xiàn)為大風(fēng)速段對應(yīng)功率較低。

根據(jù)全場功率曲線對比，能夠迅速發(fā)現(xiàn)分功率曲線表現(xiàn)較差的機組，進而有針對性地深入分析機組性能存在的問題。

3 異常機組運行性能評估

針對上文部分功率曲線表現(xiàn)較差的異常風(fēng)電機組，根據(jù)其SCADA系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù)(如圖3～6所示)，進一步分析評估其運行性能。

3.1#12，#13，#17，#21機組功率曲線異常

(1)主要表現(xiàn)。6 m/s以上風(fēng)速條件下，機組存在大量小功率的數(shù)據(jù)及停機現(xiàn)象；部分時段滿發(fā)功率未達到額定功率。

(2)原因分析及改進建議。1)限功率，經(jīng)查驗SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在滿發(fā)風(fēng)速附近，存在提前變槳動作，導(dǎo)致無法達到滿發(fā)功率，應(yīng)對變槳控制策略進行檢查和優(yōu)化；2)機組故障及檢修導(dǎo)致停機；3)葉片結(jié)冰，部分時間段存在環(huán)境溫度在0 ℃以下的惡劣天氣狀況，應(yīng)注意做好除冰保護。

3.2#13，#17，#21機組變槳系統(tǒng)異常

(1)主要表現(xiàn)。1)小于6 m/s的風(fēng)速條件下，槳矩角非最小槳矩角，風(fēng)速在3～6 m/s區(qū)間內(nèi)，機組槳矩角主要在2°～0°變化，并非停留在最小槳矩角；2)部分機組提前變槳動作明顯；3)轉(zhuǎn)速未達到額定轉(zhuǎn)速之前非最小槳距角。

(2)原因分析及改進建議。槳葉零刻線安裝位置檢查，變槳控制策略檢查并優(yōu)化。

圖4 #13風(fēng)電機組運行散點

圖5 #17風(fēng)電機組運行散點

圖6 #21風(fēng)電機組運行散點

3.3#12，#13，#17，#21機組偏航系統(tǒng)正常

主要表現(xiàn)：錯風(fēng)角處于-10°～+10°之間，平均值基本均為0°，標(biāo)準(zhǔn)差在6°～8°內(nèi)，偏航對風(fēng)性能基本正常。

4 結(jié)論

為解決風(fēng)電場在實際風(fēng)電機組出質(zhì)保驗收或運行過程中，基于功率曲線的考核評估較難準(zhǔn)確實現(xiàn)的問題，提出了一種利用激光雷達測風(fēng)儀測風(fēng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合風(fēng)電機組SCADA系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行SCADA系統(tǒng)風(fēng)速校正，實現(xiàn)全場風(fēng)電機組功率曲線考核的方法。利用此方法可以快速查找出全場機組運行功率曲線較差的機組，并進一步針對其運行性能重點分析，挖掘問題存在的原因。采用該方法對某風(fēng)電場22臺機組的功率曲線及運行性能進行了評估，結(jié)果表明：22臺機組中，#12，#13，#17，#21等機組功率曲線較差，機組運行性能表現(xiàn)異常，存在一定的性能優(yōu)化提升空間。該方法評估準(zhǔn)確、簡單、實用，為風(fēng)電機組運行性能考核評估提供了一種客觀、便捷的考核方法。

[1]羅茂輝，蘇迎彬.風(fēng)力發(fā)電機組運行安全分析與控制措施[J].華東科技(學(xué)術(shù)版),2016(5):193-193.

[2]劉靖武.關(guān)于風(fēng)電機組運行維護技術(shù)的探討[J].引文版:工程技術(shù),2016(6):30-31.

[3]尹子棟,付德義.激光雷達測風(fēng)儀在風(fēng)電機組功率曲線測試中的應(yīng)用研究[J].可再生能源,2013,31(4):100-106.

[4]Wind turbines-Part12-1: power performance measurements of electricity producing wind turbines: IEC 61400-12-1—2005[S].

[5]風(fēng)力發(fā)電機組 功率特性測試：GB/T 18451.2—2012[S].

(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-04-07；

:2017-05-19

TM 614

：A

：1674-1951(2017)06-0014-03

付立(1988—)，男，河南永城人，工程師，工學(xué)碩士，從事新能源發(fā)電研究、評估等方面的工作(E-mail:li-fu@chder.com)。