風(fēng)電場發(fā)電性能評價與風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)分析方法研究

華電電力科學(xué)研究院 葉小廣

0 引言

我國發(fā)電行業(yè)乃至整個能源行業(yè)都處在關(guān)鍵的轉(zhuǎn)型階段[1]。能源形式上，從傳統(tǒng)的化石能源正逐漸向風(fēng)能、太陽能、核能等能源形式轉(zhuǎn)型。運維模式上，從傳統(tǒng)的人力驅(qū)動、定期檢修正逐漸向數(shù)據(jù)驅(qū)動、狀態(tài)檢修的模式轉(zhuǎn)型。

風(fēng)力發(fā)電作為重要的清潔能源發(fā)電形式，具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保，可持續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)勢，近年來在世界各地得到迅速的發(fā)展[2]。2016年底，我國風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到1.49億千瓦，穩(wěn)居世界第一[3]，并保持著良好的增長態(tài)勢。經(jīng)過一定時間的探索與發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)進(jìn)入到一個技術(shù)相對成熟，模式較為清晰的發(fā)展階段。

大型風(fēng)力發(fā)電企業(yè)管理的機(jī)組類型多、投運時間跨度大，機(jī)組采用的技術(shù)水平不一致，加大了實際檢修工作的難度，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：（1）風(fēng)電場及風(fēng)電機(jī)組在地理上較為分散，在檢修人員安排上存在困難。（2）大多數(shù)機(jī)組的報警原理未知，檢修人員只能根據(jù)機(jī)組廠家的報警及相關(guān)提示安排檢修，較為被動。

為解決以上兩個問題，提高運維檢修水平，對風(fēng)電場的發(fā)電性能評價顯得至關(guān)重要，本文對該問題進(jìn)行了相關(guān)研究，以甘肅某風(fēng)場為例，進(jìn)行了實際分析并提出了相應(yīng)的整改與優(yōu)化意見。

1 數(shù)據(jù)源與分析流程

本文的實驗風(fēng)場屬于戈壁風(fēng)場，位于甘肅省，共分兩區(qū)：A區(qū)為100臺2.0MW的直驅(qū)型機(jī)組,B區(qū)為100臺2.0MW的雙饋型機(jī)組，共40WKW裝機(jī)容量。評估時針對A區(qū)100臺機(jī)組，采集15年10月份與11月份每5分鐘的SCADA數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行分析。

圖1 1號機(jī)組10月與11月溫度

從1號風(fēng)機(jī)的SCADA溫度數(shù)據(jù)來看，1 0月與11月并未出現(xiàn)極寒天氣，且甘肅地區(qū)空氣干燥，出現(xiàn)大規(guī)模冰凍的可能性較低。風(fēng)場所處的甘肅河西地區(qū)限電情況嚴(yán)重，這會導(dǎo)致發(fā)電量在性能評估時的代表性有所減弱。

對風(fēng)場的性能分析主要分為兩部分：發(fā)電性能和故障。發(fā)電性能包括發(fā)電量、平均風(fēng)速、功率曲線、Cp曲線等分析。故障包括可利用率，平均故障出現(xiàn)時間，故障平均恢復(fù)時間，故障總時間等分析。

2 A、B區(qū)發(fā)電量比較

A區(qū)機(jī)組在14年11月30日全部并網(wǎng)，B區(qū)機(jī)組在15年3月18日全部并網(wǎng)。采用風(fēng)場15年4月份的報表數(shù)據(jù)，說明整體的發(fā)電情況。

表1 AB區(qū)發(fā)電量比較

從整體情況來看，A區(qū)B區(qū)的平均風(fēng)速相差0.16m/s，A區(qū)航天萬源機(jī)組的發(fā)電量略好于B區(qū)明陽的機(jī)組。

3 機(jī)組出力性能分析

性能分析是基于SCADA導(dǎo)出數(shù)據(jù)，由于主控程序問題，性能分析時所用的5分鐘記錄無法導(dǎo)出99號機(jī)組，故障分析所用的機(jī)組狀態(tài)值無法導(dǎo)出59，64，99，100號機(jī)組。

3.1 全場出力性能分析

河西地區(qū)限電嚴(yán)重，風(fēng)場為了發(fā)電量考慮，沒有設(shè)立標(biāo)桿機(jī)組，全場統(tǒng)一受有功控制系統(tǒng)的控制。需要先從風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)散點圖判斷整體情況，下圖為1#風(fēng)機(jī)未做處理的數(shù)據(jù)散點圖：

圖2 1#風(fēng)機(jī)未做處理的數(shù)據(jù)散點圖

從散點圖可以看出：

1）高風(fēng)速的時候，有大量低功率的點；

2）有許多大風(fēng)停機(jī)與低風(fēng)速順槳的情況，且順槳存在固定規(guī)律。

判斷這些情況是由限電造成，這也符合甘肅整體的實際情況。在進(jìn)行機(jī)組發(fā)電性能評價時，需要剔除電網(wǎng)側(cè)的影響因素對風(fēng)機(jī)進(jìn)行客觀評價。使用以下判據(jù)的處理方式進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，得到機(jī)組未達(dá)到限電峰值功率即其發(fā)電未受限電影響情況下的并網(wǎng)發(fā)電數(shù)據(jù)：

（1）發(fā)電機(jī)功率大于1kW;（2）槳距角小于20°；（3）“非”（風(fēng)速小于11且槳距角大于1°）；（4）“非”（功率小于1900kW且槳距角大于3°）。

通過數(shù)據(jù)處理，100臺風(fēng)機(jī)的功率曲線與Cp曲線如下圖3、4所示。

圖3 100臺風(fēng)機(jī)的功率曲線

圖4 100臺風(fēng)機(jī)的Cp曲線

可以看出：

1)風(fēng)機(jī)在低風(fēng)速段的功率曲線略優(yōu)于保證功率曲線，在過渡段曲線低于保證曲線。當(dāng)保證功率曲線是靜態(tài)功率曲線時，由于湍流的原因，會造成一定的功率折減。實際功率曲線在過渡段對保證功率曲線的逼近程度體現(xiàn)了風(fēng)機(jī)設(shè)計與控制策略的水平

圖5 47號風(fēng)機(jī)偏航情況

圖6 47號機(jī)組運行情況

2) 33號，47號，4 8號等風(fēng)機(jī)功率曲線較好，50，67，84等功率曲線較差。

3)一些風(fēng)機(jī)的大風(fēng)可利用數(shù)據(jù)較少，比如：75，76號8m/s以上數(shù)據(jù)較少，雖然在該階段功率曲線雖然較差，但代表性比較低。

4) 3號，23號，58號，100號機(jī)組功率曲線明顯較差，在2.1.2.3節(jié)中會分析具體原因。

考慮各個因素，排除3）與4）中所述的代表性較差與問題機(jī)組，機(jī)組在出力性能方面表現(xiàn)符合其保證功率曲線，出力性能比較良好。

3.2 偏航性能分析

從功率曲線較好且可用數(shù)據(jù)點比較多的47號風(fēng)機(jī)的錯風(fēng)角度來看，7m/s以上的風(fēng)速區(qū)間錯風(fēng)角分布在±10°之間，7m/s以下的風(fēng)速區(qū)間在±20°之間。同時，各個區(qū)間錯風(fēng)角的平均值并不為0且整體的錯風(fēng)角也不為0，說明偏航性能有待改善。

3.3 問題機(jī)組分析

在總體的功率曲線與Cp曲線中，有一些明顯較低的機(jī)組，需要通過散點圖具體分析其原因。

由47號機(jī)組的運行情況可以看出，風(fēng)速在11m/ s左右到達(dá)額定轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速在16rpm～17rpm。轉(zhuǎn)速在15rpm以下時，與功率呈大致線性的關(guān)系，15rpm之后功率迅速上升。

3號機(jī)組額定轉(zhuǎn)速在11rpm～12rpm之間，在轉(zhuǎn)速大于10rpm之后功率就開始呈現(xiàn)非線性上升。

23號風(fēng)機(jī)10月與11月的運行情況呈現(xiàn)兩種形態(tài)。其中紅色線所代表的情況與標(biāo)準(zhǔn)運行情況相同。單獨分析11月數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)與3號風(fēng)機(jī)類似的形態(tài)。同樣情況的還有58號與100號風(fēng)機(jī)。

這并不是限電造成，如果排除是主控的控制策略引起，造成該情況的原因會有以下兩點：

圖7 3號機(jī)組運行狀況

圖8 23號風(fēng)機(jī)10月與11月運行情況

1）硬件的隱性故障

2）會流器或者發(fā)電機(jī)的自身限負(fù)荷問題。

其中，硬的隱性故障的可能性較小，會流器或者發(fā)電機(jī)的自身限負(fù)荷問題可能性較大，而會流器與發(fā)電機(jī)的故障率較高，在以后章節(jié)中會有詳細(xì)分析。

4 故障統(tǒng)計

統(tǒng)計時間內(nèi)，A區(qū)評估機(jī)組報出次數(shù)最多的25個故障如表2。

從統(tǒng)計結(jié)果看出，機(jī)組變流器故障頻率較高，與上文的分析結(jié)果相符。

5 結(jié)論

本文對實驗風(fēng)場進(jìn)行詳細(xì)的發(fā)電性能評價，并利用數(shù)據(jù)分析的方法對場內(nèi)機(jī)組進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)組在變流器、功率控制方面存在的不足。該方法實用性強(qiáng)，具有較大的推廣價值。

表2 統(tǒng)計時間內(nèi)，A區(qū)評估機(jī)組報出次數(shù)最多的25個故障

圖9 23號風(fēng)機(jī)11月運行情況

圖10 58號風(fēng)機(jī)與100號風(fēng)機(jī)

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