華電小草湖風(fēng)電場(chǎng)二期GW66-1500風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速優(yōu)化

史 波，劉 哲

（華電新疆發(fā)電有限公司新能源分公司，新疆 烏魯木齊，830000）

0 引言

近些年來(lái)資源能源危機(jī)加劇，由于越來(lái)越多越來(lái)越大規(guī)模的風(fēng)機(jī)并入電網(wǎng)，各個(gè)地區(qū)限電量的加劇，伴隨著風(fēng)電行業(yè)上網(wǎng)電價(jià)逐漸下調(diào)，在有限的電網(wǎng)容量里，我們要找到可以增加發(fā)電量的方法，而風(fēng)速切出優(yōu)化方案，在對(duì)于風(fēng)機(jī)20年的使用壽命，可以增加非常可觀的發(fā)電量。是一種優(yōu)化方便簡(jiǎn)單，快速有效的方法。

切出風(fēng)速優(yōu)化，顧名思義就是提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大工作風(fēng)速，提升風(fēng)能可利用率，增加風(fēng)機(jī)利用小時(shí)數(shù)。并在原切出風(fēng)速及新的切出風(fēng)速區(qū)間降功率運(yùn)行以及調(diào)整加阻算法，以確保在提高發(fā)電量的同時(shí)，不危害機(jī)組的安全性。

我們知道，在同地區(qū)電網(wǎng)容量是一定的，隨著裝機(jī)容量的提高，限電量也會(huì)隨之加劇。而在大風(fēng)天氣，其他風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)切出無(wú)法發(fā)電時(shí)，華電小草湖風(fēng)場(chǎng)可以用優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)繼續(xù)發(fā)電，從而做到增加發(fā)電量，來(lái)提高電網(wǎng)營(yíng)銷。

1 項(xiàng)目背景

隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟以及市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)激烈化發(fā)展，到2020年，國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)面臨“風(fēng)火同價(jià)”或“風(fēng)火競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”的競(jìng)爭(zhēng)局面，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力要求逐漸凸顯。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行后，功率曲線是衡量機(jī)組性能的重要指標(biāo)之一，由于地貌，風(fēng)資源，氣候以及其它因素的差異，造成各地風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線的不同。草湖二期風(fēng)電場(chǎng)位于吐魯番小草湖地區(qū)，使用33臺(tái)GW66-1500機(jī)組。原GW66-1500風(fēng)機(jī)為保護(hù)機(jī)組安全，在10min平均風(fēng)速達(dá)到27m/s時(shí)，機(jī)組將自動(dòng)切出運(yùn)行。但對(duì)歷年的風(fēng)資源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，測(cè)風(fēng)塔有效風(fēng)速段3～26m/s所占頻率為56.97%，26～30m/s風(fēng)速占比為2.93%。

部分地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)頻分布呈現(xiàn)出雙峰的特征（如圖1所示）或者長(zhǎng)尾的特征（如圖2所示）（圖中x軸表示風(fēng)速，y軸表示占用百分比，K=1.11為圖形系數(shù)，用于確定曲線的形狀。折線部分為測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)風(fēng)頻占比，曲線為威布爾模擬數(shù)據(jù)風(fēng)頻占比）

圖1 風(fēng)頻的雙峰的特征Fig.1 The double peak characteristic of the wind frequency distribution

圖2 風(fēng)頻的長(zhǎng)尾的特征Fig.2 The long tail characteristic of the wind frequency distrubution

此類風(fēng)場(chǎng)暴風(fēng)風(fēng)速段（25m/s以上）時(shí)間比較多，而GW66-1500機(jī)組的切出風(fēng)速相對(duì)并不高，在10min平均風(fēng)速達(dá)到27m/s切出后，沒(méi)有充分攫取暴風(fēng)風(fēng)速段風(fēng)含功率。為提高經(jīng)濟(jì)效益，我們對(duì)GW66-1500風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)研究、計(jì)算得出風(fēng)速達(dá)到27～30m/s時(shí)，在安全的前提下提高機(jī)組切出風(fēng)速的優(yōu)化方案。

華電小草湖風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)6050號(hào)側(cè)風(fēng)塔中提取2013年一年的數(shù)據(jù)，整理出風(fēng)速3-30m/s的小時(shí)數(shù)分布圖。圖3框中的數(shù)據(jù)即為通過(guò)延遲切出優(yōu)化后可額外提取能量的小時(shí)數(shù)。

圖3 全年各風(fēng)速段標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)數(shù)Fig.3 The standard hour distribution at each wind speed in the year

華電小草湖風(fēng)場(chǎng)對(duì)草湖二期GW66-1500風(fēng)機(jī)載荷進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)2015年1～5月計(jì)算確認(rèn)載荷滿足要求后，將風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速由27m/s放開至30m/s，并進(jìn)行控制策略調(diào)整，理論年平均提升發(fā)電量6.65%，增加可利用小時(shí)數(shù)120h左右。

2 項(xiàng)目實(shí)施

2.1 優(yōu)化內(nèi)容簡(jiǎn)要說(shuō)明

2.1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

切出風(fēng)速優(yōu)化屬于軟件優(yōu)化與硬件優(yōu)化相結(jié)合的方式。

硬件安裝，即布置集群控制器。在中央監(jiān)控設(shè)立一臺(tái)工業(yè)PC，用于優(yōu)化控制算法的計(jì)算及控制參數(shù)的發(fā)布，如圖4所示。針對(duì)不同風(fēng)場(chǎng)可以提供不同的優(yōu)化策略，所有的軟件類優(yōu)化方式在通訊條件良好的情況下都可以通過(guò)這樣的一臺(tái)工業(yè)PC實(shí)現(xiàn)。集群控制器沒(méi)有固定的安放位置，根據(jù)通訊柜內(nèi)的空間合理安排即可。

圖4 工業(yè)PC現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖Fig.4 Industrial PC site installation diagram

基于大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)支持，采用安裝集群控制器達(dá)到功率提升控制算法和參數(shù)更新下發(fā)、程序的自學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)收集交互等功能，可以更合理地分配各機(jī)組負(fù)荷。集群控制器的工作原理如圖5所示。

圖5 集群控制器工作原理圖Fig.5 The sketch diagram of cluster controller

軟件優(yōu)化，即切出風(fēng)速優(yōu)化的控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化系統(tǒng)控制框圖Fig.6 Optimizing system control block diagram

（1）根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)速測(cè)量模塊測(cè)量的風(fēng)速，經(jīng)過(guò)濾波處理之后，依據(jù)一定的換算關(guān)系來(lái)計(jì)算得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速--電磁扭矩閉環(huán)控制回路和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)控制回路的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值，同時(shí)保持發(fā)電機(jī)的額定扭矩值保持不變；

（2）在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—變槳速率閉環(huán)控制回路中引入風(fēng)機(jī)Fore-aft（機(jī)頭-機(jī)尾）方向加速度控制信號(hào)，以此來(lái)降低風(fēng)機(jī)Fore-aft方向震動(dòng)幅度以及塔架My彎矩的疲勞載荷以及極限載荷；

（3）在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速—電磁扭矩閉環(huán)控制回路中引入風(fēng)機(jī)Side-side（側(cè)面）方向加速度控制信號(hào)，以此來(lái)降低風(fēng)機(jī)Side-side方向振動(dòng)幅度以及塔架Mx彎矩的疲勞載荷。

2.1.2 設(shè)定設(shè)計(jì)目標(biāo)

簡(jiǎn)單地說(shuō)，切出風(fēng)速優(yōu)化就是提高切出風(fēng)速，并在原切出風(fēng)速及新的切出風(fēng)速區(qū)間降功率運(yùn)行以及調(diào)整加阻算法，以確保在提高發(fā)電量的同時(shí)，不危害機(jī)組的安全性。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)系統(tǒng)性的迭代設(shè)計(jì)過(guò)程，如圖7所示。具體發(fā)電量提升效果需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)資源作詳細(xì)分析，但對(duì)于I類風(fēng)區(qū)而言效果最理想，高風(fēng)速（25m/s以上）發(fā)生小時(shí)數(shù)越多，效益越好。

圖7 風(fēng)速切出優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程Fig.7 Design process of wind speed cutting out optimization

新切出風(fēng)速必須根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)資源狀況以及機(jī)組本身的設(shè)計(jì)安全裕量共同決定。由于發(fā)電量的提升對(duì)切出風(fēng)速優(yōu)化的影響主要體現(xiàn)在25m/s以后的風(fēng)速段，因此項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的年風(fēng)頻分布尤其重要。對(duì)于I類風(fēng)區(qū)，依據(jù)瑞利分布計(jì)算出的各風(fēng)速區(qū)間發(fā)生小時(shí)數(shù)及累積發(fā)生小時(shí)數(shù)分別如圖8、圖9所示。

利用圖8可以估算出年增發(fā)電量，在給定初步年增發(fā)目標(biāo)值的前提下可以確定新的切出風(fēng)速。本項(xiàng)目的切出風(fēng)速設(shè)定值為30m/s。由于最終的功率曲線會(huì)受到機(jī)組安全性的約束，最終年增發(fā)電量可能偏離初始設(shè)定值。（x軸表示平均風(fēng)速，y軸表示發(fā)生小時(shí)數(shù)）

2.1.3 初步安全評(píng)估

圖8 各風(fēng)速段發(fā)生小時(shí)數(shù)Fig.8 The Hour distribution of each wind speed segment

圖9 累積發(fā)生小時(shí)數(shù)Fig.9 Cunmulative occurrenec hours

機(jī)組的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要有部件極限載荷、部件疲勞載荷、塔筒凈空、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速、最大輪轂制動(dòng)力矩等。根據(jù)IEC61400-1及以往的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，作為前期估算，需要重新考慮的主要是葉根、輪轂中心，及塔筒底部極限彎矩，而且限定在DLC1.1、DLC1.5、DLC4.2等少數(shù)幾個(gè)工況，可以直接計(jì)算，也可以通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推測(cè)。切出風(fēng)速優(yōu)化對(duì)疲勞載荷的影響體現(xiàn)在DLC1.2、DLC2.3以及DLC4.1。一般而言，DLC2.3以及DLC4.1發(fā)生的情況比較少，故認(rèn)為它們的變化對(duì)最終疲勞載荷影響不大。作為近似可以只考慮DCL1.2變化帶來(lái)的影響，更細(xì)致的分析應(yīng)該通過(guò)載荷時(shí)間序列進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，通常可以先以等效疲勞載荷作為考察指標(biāo)。

典型的塔筒彎矩疲勞計(jì)算結(jié)果如圖10所示，圖中前13個(gè)彎矩（DLC1.2工況）對(duì)應(yīng)于平均風(fēng)速為3～25m/s的風(fēng)速區(qū)間，間隔2m/s，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可以得知，當(dāng)SN曲線反斜率取4時(shí)，引入切出風(fēng)速優(yōu)化前后，疲勞載荷的變化比較小，不會(huì)超過(guò)4%。這里只是針對(duì)單個(gè)部件的一個(gè)載荷指標(biāo)得出的結(jié)論，其他部件或其他載荷指標(biāo)可以通過(guò)類似的方法得到。

圖10 典型的疲勞載荷計(jì)算結(jié)果Fig.10 Typical fatigue load calculation

2.1.4 完全的機(jī)組安全性評(píng)估

風(fēng)機(jī)所有機(jī)械部件的載荷都必須控制在設(shè)計(jì)值以內(nèi)，因此需要嚴(yán)格依照IEC 61400-1對(duì)所有部件關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行校核，一旦出現(xiàn)部件載荷超出設(shè)計(jì)范圍需要重新調(diào)整功率曲線或控制算法再進(jìn)行設(shè)計(jì)。在文件GW-06SS.0426《GW66/1500機(jī)組暴風(fēng)控制算法整機(jī)載荷適應(yīng)性分析報(bào)告（華電新疆小草湖一場(chǎng)三期項(xiàng)目、HT31.8葉片、輪轂高度65米）》-A和GW-06SS.0427《GW66/1500機(jī)組暴風(fēng)控制算法整機(jī)載荷適應(yīng)性分析報(bào)告（華電新疆小草湖一場(chǎng)四期項(xiàng)目、HT31.8葉片、輪轂高度65米）》-A中，機(jī)組的整機(jī)載荷已通過(guò)驗(yàn)證，滿足載荷安全需求。

2.1.5 切出風(fēng)速優(yōu)化的適應(yīng)性

理論上，本方案適用于所有風(fēng)電場(chǎng)。針對(duì)任何風(fēng)電場(chǎng)均可對(duì)切出風(fēng)速進(jìn)行不同程度的提高，但具體提升幅度需要根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)型及具體風(fēng)況。

機(jī)組實(shí)際發(fā)電量的提升不僅與機(jī)組的功率曲線有關(guān)，還取決于風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際的風(fēng)頻分布。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，通俗地說(shuō)，高于機(jī)組原切出風(fēng)速以后的風(fēng)頻越高，引入切出風(fēng)速優(yōu)化后可提升的發(fā)電量也就越多。因此本方案主要適用于風(fēng)能比較豐富的I類風(fēng)區(qū)及部分II類風(fēng)區(qū)。

2.2 優(yōu)化后理論電量

優(yōu)化后風(fēng)機(jī)功率曲線見表1。

將測(cè)風(fēng)塔模擬為一臺(tái)GW66-1500型風(fēng)機(jī)，進(jìn)行理念發(fā)電量計(jì)算。由于測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速分布不符合威布爾分布，利用10min時(shí)間序列數(shù)據(jù)與風(fēng)機(jī)優(yōu)化前后功率曲線，分別計(jì)算理論發(fā)電量。

表1 優(yōu)化后風(fēng)機(jī)理論功率曲線表Tab.1 Theoretical power curve of fan after optimization

式中Vn—折算后的風(fēng)速值；

V10min—測(cè)得的10分鐘平均風(fēng)速值；

ρ10min—所得到的10分鐘平均空氣密度；

ρ0—標(biāo)準(zhǔn)空氣密度。

理論發(fā)電量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)機(jī)功率曲線優(yōu)化前后理論發(fā)電量計(jì)算表Tab.2 Calculation table of theoretical power generation before and after optimization of fan power curve

由上表可知，風(fēng)機(jī)功率曲線優(yōu)化后，年理論發(fā)電量約可增加6.65%。

3 實(shí)施效果

華電小草湖風(fēng)場(chǎng)“切出風(fēng)速優(yōu)化”項(xiàng)目于2015年7月開始改造，于2015年8月6日完成，統(tǒng)計(jì)采用從全球監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)拷取的十分鐘數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)2015年8月7日至2016年8月14日數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)速范圍取每臺(tái)機(jī)組十分鐘數(shù)據(jù)中27～30m/s風(fēng)速功率數(shù)據(jù)，增益效果見表3。

表3 2015年8月7日至2016年8月14日運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Operation data statistics from August 7,2015 to August 14,2016

4 總結(jié)

33臺(tái)機(jī)組合計(jì)提升電量477.4萬(wàn)kWh即提升96.4標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)，損失電量677.2萬(wàn)kWh，即提升136.8標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)（包括限功率和故障損失）。合計(jì)累計(jì)增加電量1154.6萬(wàn)kWh，即提升233.3標(biāo)準(zhǔn)小時(shí)。

33臺(tái)共5萬(wàn)千瓦裝機(jī)投資總計(jì)396萬(wàn)元。不限電投資回收期：396/670=0.57a，約7個(gè)月收回成本；按統(tǒng)計(jì)期限電情況（58.65%限電率）：396/276.9=1.43a，約1.5年收回成本。

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用前景好，技術(shù)成熟，成本較低且規(guī)模效益顯著，是發(fā)展最快的新型能源。而更加合理運(yùn)用風(fēng)資源，可以在有限的電網(wǎng)容量里創(chuàng)造出更多的發(fā)電量。

[1]徐大平，柳亦兵，呂躍剛.風(fēng)力發(fā)電原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:1-7．

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