華電小草湖風電場二期GW66-1500風機切出風速優化

史 波，劉 哲

（華電新疆發電有限公司新能源分公司，新疆 烏魯木齊，830000）

0 引言

近些年來資源能源危機加劇，由于越來越多越來越大規模的風機并入電網，各個地區限電量的加劇，伴隨著風電行業上網電價逐漸下調，在有限的電網容量里，我們要找到可以增加發電量的方法，而風速切出優化方案，在對于風機20年的使用壽命，可以增加非常可觀的發電量。是一種優化方便簡單，快速有效的方法。

切出風速優化，顧名思義就是提高風力發電機組的最大工作風速，提升風能可利用率，增加風機利用小時數。并在原切出風速及新的切出風速區間降功率運行以及調整加阻算法，以確保在提高發電量的同時，不危害機組的安全性。

我們知道，在同地區電網容量是一定的，隨著裝機容量的提高，限電量也會隨之加劇。而在大風天氣，其他風場風機切出無法發電時，華電小草湖風場可以用優化后的風機繼續發電，從而做到增加發電量，來提高電網營銷。

1 項目背景

隨著我國風力發電技術的日益成熟以及市場的競爭激烈化發展，到2020年，國內電力市場面臨“風火同價”或“風火競價上網”的競爭局面，對風電機組的發電能力要求逐漸凸顯。

風力發電機在運行后，功率曲線是衡量機組性能的重要指標之一，由于地貌，風資源，氣候以及其它因素的差異，造成各地風力發電機組功率曲線的不同。草湖二期風電場位于吐魯番小草湖地區，使用33臺GW66-1500機組。原GW66-1500風機為保護機組安全，在10min平均風速達到27m/s時，機組將自動切出運行。但對歷年的風資源數據統計得出，測風塔有效風速段3～26m/s所占頻率為56.97%，26～30m/s風速占比為2.93%。

部分地區的風場風頻分布呈現出雙峰的特征（如圖1所示）或者長尾的特征（如圖2所示）（圖中x軸表示風速，y軸表示占用百分比，K=1.11為圖形系數，用于確定曲線的形狀。折線部分為測風塔實測數據風頻占比，曲線為威布爾模擬數據風頻占比）

圖1 風頻的雙峰的特征Fig.1 The double peak characteristic of the wind frequency distribution

圖2 風頻的長尾的特征Fig.2 The long tail characteristic of the wind frequency distrubution

此類風場暴風風速段（25m/s以上）時間比較多，而GW66-1500機組的切出風速相對并不高，在10min平均風速達到27m/s切出后，沒有充分攫取暴風風速段風含功率。為提高經濟效益，我們對GW66-1500風機切出風速進行優化。通過研究、計算得出風速達到27～30m/s時，在安全的前提下提高機組切出風速的優化方案。

華電小草湖風電場內6050號側風塔中提取2013年一年的數據，整理出風速3-30m/s的小時數分布圖。圖3框中的數據即為通過延遲切出優化后可額外提取能量的小時數。

圖3 全年各風速段標準小時數Fig.3 The standard hour distribution at each wind speed in the year

華電小草湖風場對草湖二期GW66-1500風機載荷進行計算，通過2015年1～5月計算確認載荷滿足要求后，將風機切出風速由27m/s放開至30m/s，并進行控制策略調整，理論年平均提升發電量6.65%，增加可利用小時數120h左右。

2 項目實施

2.1 優化內容簡要說明

2.1.1 優化設計方案

切出風速優化屬于軟件優化與硬件優化相結合的方式。

硬件安裝，即布置集群控制器。在中央監控設立一臺工業PC，用于優化控制算法的計算及控制參數的發布，如圖4所示。針對不同風場可以提供不同的優化策略，所有的軟件類優化方式在通訊條件良好的情況下都可以通過這樣的一臺工業PC實現。集群控制器沒有固定的安放位置，根據通訊柜內的空間合理安排即可。

圖4 工業PC現場安裝效果圖Fig.4 Industrial PC site installation diagram

基于大數據和云平臺支持，采用安裝集群控制器達到功率提升控制算法和參數更新下發、程序的自學習、數據收集交互等功能，可以更合理地分配各機組負荷。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

軟件優化，即切出風速優化的控制系統框圖如圖6所示。

圖6 優化系統控制框圖Fig.6 Optimizing system control block diagram

（1）根據風機風速測量模塊測量的風速，經過濾波處理之后，依據一定的換算關系來計算得到發電機轉速--電磁扭矩閉環控制回路和發電機轉速—變槳速率閉環控制回路的發電機轉速設定值，同時保持發電機的額定扭矩值保持不變；

（2）在發電機轉速—變槳速率閉環控制回路中引入風機Fore-aft（機頭-機尾）方向加速度控制信號，以此來降低風機Fore-aft方向震動幅度以及塔架My彎矩的疲勞載荷以及極限載荷；

（3）在發電機轉速—電磁扭矩閉環控制回路中引入風機Side-side（側面）方向加速度控制信號，以此來降低風機Side-side方向振動幅度以及塔架Mx彎矩的疲勞載荷。

2.1.2 設定設計目標

簡單地說，切出風速優化就是提高切出風速，并在原切出風速及新的切出風速區間降功率運行以及調整加阻算法，以確保在提高發電量的同時，不危害機組的安全性。整個設計過程是一個系統性的迭代設計過程，如圖7所示。具體發電量提升效果需要對現場風資源作詳細分析，但對于I類風區而言效果最理想，高風速（25m/s以上）發生小時數越多，效益越好。

圖7 風速切出優化系統設計過程Fig.7 Design process of wind speed cutting out optimization

新切出風速必須根據項目現場的風資源狀況以及機組本身的設計安全裕量共同決定。由于發電量的提升對切出風速優化的影響主要體現在25m/s以后的風速段，因此項目現場的年風頻分布尤其重要。對于I類風區，依據瑞利分布計算出的各風速區間發生小時數及累積發生小時數分別如圖8、圖9所示。

利用圖8可以估算出年增發電量，在給定初步年增發目標值的前提下可以確定新的切出風速。本項目的切出風速設定值為30m/s。由于最終的功率曲線會受到機組安全性的約束，最終年增發電量可能偏離初始設定值。（x軸表示平均風速，y軸表示發生小時數）

2.1.3 初步安全評估

圖8 各風速段發生小時數Fig.8 The Hour distribution of each wind speed segment

圖9 累積發生小時數Fig.9 Cunmulative occurrenec hours

機組的設計指標主要有部件極限載荷、部件疲勞載荷、塔筒凈空、機組最大轉速、最大輪轂制動力矩等。根據IEC61400-1及以往的開發經驗，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等少數幾個工況，可以直接計算，也可以通過以往的經驗進行推測。切出風速優化對疲勞載荷的影響體現在DLC1.2、DLC2.3以及DLC4.1。一般而言，DLC2.3以及DLC4.1發生的情況比較少，故認為它們的變化對最終疲勞載荷影響不大。作為近似可以只考慮DCL1.2變化帶來的影響，更細致的分析應該通過載荷時間序列進行疲勞強度分析，通常可以先以等效疲勞載荷作為考察指標。

典型的塔筒彎矩疲勞計算結果如圖10所示，圖中前13個彎矩（DLC1.2工況）對應于平均風速為3～25m/s的風速區間，間隔2m/s，通過簡單計算可以得知，當SN曲線反斜率取4時，引入切出風速優化前后，疲勞載荷的變化比較小，不會超過4%。這里只是針對單個部件的一個載荷指標得出的結論，其他部件或其他載荷指標可以通過類似的方法得到。

圖10 典型的疲勞載荷計算結果Fig.10 Typical fatigue load calculation

2.1.4 完全的機組安全性評估

風機所有機械部件的載荷都必須控制在設計值以內，因此需要嚴格依照IEC 61400-1對所有部件關鍵指標進行校核，一旦出現部件載荷超出設計范圍需要重新調整功率曲線或控制算法再進行設計。在文件GW-06SS.0426《GW66/1500機組暴風控制算法整機載荷適應性分析報告（華電新疆小草湖一場三期項目、HT31.8葉片、輪轂高度65米）》-A和GW-06SS.0427《GW66/1500機組暴風控制算法整機載荷適應性分析報告（華電新疆小草湖一場四期項目、HT31.8葉片、輪轂高度65米）》-A中，機組的整機載荷已通過驗證，滿足載荷安全需求。

2.1.5 切出風速優化的適應性

理論上，本方案適用于所有風電場。針對任何風電場均可對切出風速進行不同程度的提高，但具體提升幅度需要根據風電場的機型及具體風況。

機組實際發電量的提升不僅與機組的功率曲線有關，還取決于風電場實際的風頻分布。從經濟性角度考慮，通俗地說，高于機組原切出風速以后的風頻越高，引入切出風速優化后可提升的發電量也就越多。因此本方案主要適用于風能比較豐富的I類風區及部分II類風區。

2.2 優化后理論電量

優化后風機功率曲線見表1。

將測風塔模擬為一臺GW66-1500型風機，進行理念發電量計算。由于測風塔風速分布不符合威布爾分布，利用10min時間序列數據與風機優化前后功率曲線，分別計算理論發電量。

表1 優化后風機理論功率曲線表Tab.1 Theoretical power curve of fan after optimization

式中Vn—折算后的風速值；

V10min—測得的10分鐘平均風速值；

ρ10min—所得到的10分鐘平均空氣密度；

ρ0—標準空氣密度。

理論發電量計算結果見表2。

表2 風機功率曲線優化前后理論發電量計算表Tab.2 Calculation table of theoretical power generation before and after optimization of fan power curve

由上表可知，風機功率曲線優化后，年理論發電量約可增加6.65%。

3 實施效果

華電小草湖風場“切出風速優化”項目于2015年7月開始改造，于2015年8月6日完成，統計采用從全球監控數據庫內拷取的十分鐘數據，通過對2015年8月7日至2016年8月14日數據統計，風速范圍取每臺機組十分鐘數據中27～30m/s風速功率數據，增益效果見表3。

表3 2015年8月7日至2016年8月14日運行數據統計Tab.3 Operation data statistics from August 7,2015 to August 14,2016

4 總結

33臺機組合計提升電量477.4萬kWh即提升96.4標準小時，損失電量677.2萬kWh，即提升136.8標準小時（包括限功率和故障損失）。合計累計增加電量1154.6萬kWh，即提升233.3標準小時。

33臺共5萬千瓦裝機投資總計396萬元。不限電投資回收期：396/670=0.57a，約7個月收回成本；按統計期限電情況（58.65%限電率）：396/276.9=1.43a，約1.5年收回成本。

5 結語

風力發電應用前景好，技術成熟，成本較低且規模效益顯著，是發展最快的新型能源。而更加合理運用風資源，可以在有限的電網容量里創造出更多的發電量。

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