風向標測風精度改進對發電量的影響分析

劉 楊

(中國能源建設集團科技發展有限公司，天津 300012)

風力發電機組的偏航控制系統，采用主動對風控制策略，通過安裝在機艙尾部的風向標反饋風向角度決定是否偏航，從而實現實時調節風輪的迎風位置，使得機組實現最大風能捕獲和降低載荷。機組對風誤差不但減少了風能的捕獲，同時使得對稱的風電機組槳葉運行時受力不均，導致機組的振動與葉片的疲勞，塔架的載荷增大。如何提高風能捕獲的精度，提高發電量成為一個重要的問題。本文通過論述偏航系統的組成和功能，剖析偏航系統控制原理。針對目前采用的風向標N點位置易發生偏移、旋轉易卡澀等情況，提出了相對應的改進方法，并通過對改進前后的發電量等數據進行對比，驗證了本次的改進工作效果明顯。

1 偏航基本情況

1.1 偏航系統的組成

偏航系統作為風機控制系統的重要組成部分之一，其主要作用是根據風機的運行狀況，正確的調整機組的迎風方向，其合理的控制流程是保證風機正常運行的基礎。偏航系統一般由偏航軸承、偏航驅動裝置、偏航制動器、偏航計數器、扭纜保護裝置、偏航液壓回路、風向標等幾個部分組成。

1.2 偏航系統控制原理

偏航系統可分為被動偏航和主動偏航兩種類型，大型風力發電機組中采用主動偏航控制，即由調向電機將風輪調至迎風位置。偏航系統是一個自動控制系統，其工作原理見圖1。

圖1 偏航系統的工作原理

1.3 風機偏航定值設置情況

某廠家的風電機組偏航定值設置情況見表1。偏航定值在設定時對風速進行了規定，以7.5 m/s劃分為高風速閥值。當風速儀檢測風速小于7.5 m/s時，偏航按照低風速下的偏航角度7.5 m/s時，偏航按照高風速下的偏航角度進行判斷偏航。因此，當風向標檢測的風向存在偏差時，會對偏航時機產生很大的影響，從而對發電量產生一定影響。

表1 偏航定值設置情況

2 現實工況下風向標存在的問題

2.1 風向標N點位置偏移

風向標N點對應位置見圖2，當風向標鐵錘與N點重合時風從機艙尾部吹來，風向值為0°，此時對風角度為180°。風向標0～360°，對應的輸出電壓為0～10 V。

圖2 風向標N點對應位置

在長期的運行過程中，由于風向標安裝工藝質量、工程施工、人員維護等因素的影響，風向標與風向標支撐架間的螺絲易發生松動。當發生松動后，風向標N點將會發生偏移，影響風向標的測風精度。

2.2 風向標旋轉易卡澀

風向標旋轉軸承在長期的運行過程中易發生因潤滑不夠或異物進入引起的旋轉卡澀現象(見圖3)，旋轉卡澀會造成對風精度的誤差，影響機組的運行性能。

圖3 風向標實物圖

3 改進方法

針對風向標N點位置易發生偏移的問題，在改進中，一般采取將風向標重新拆下，清理螺紋并涂抹螺紋膠，將N點重新固定對正。在N點固定擰緊固定螺栓時，一定要保證N點不可有任何錯位，固定螺栓要固定可靠。

對于風向標旋轉易卡澀的問題，在改進中，一般采取將風向標拆下，將風向標倒立過來(重錘側朝下，固定螺栓側朝上)將潤滑油滴到軸承內。此項工作應結合日常運行及維護工作進行，值班人員發現風向標值有誤差或兩個風向標偏差較大時應做好記錄，在月巡視或檢修維護時做好風向標的檢查維護工作，避免因長期的運行造成風向標故障停機。

4 改進效果驗證

4.1 變量選取

本次改進效果驗證選取某風電場A03號風機，該臺風機在2016年12月份完成了風向標N點校準、軸承潤滑加油等工作。數據統計時間選取改進前的2016年1－4月份數據及改進后的2017年9月份數據進行比較，數據統計變量及統計間隔為風速、功率的10 min數據。因數據選取的兩個時間段內的氣壓等環境因素差異不大，對空氣密度影響較小(空氣密度約為1.225 kg/m3)，故功率受環境因素影響很小，數據具有可比性。

4.2 數據處理

使用風機功率處理軟件進行數據處理，將選取的改進前后的風速、功率的10 min風機數據導入到風機功率處理軟件中，處理軟件自動剔除不可用數據、歸集計算各風速下的功率值，得到改進前后功率值及功率曲線。改進前后的風機功率值見表2。

表2 改進前后風機功率值

改進前后功率曲線見圖4。

圖4 改進前后功率曲線

改進后主要風速區間功率差值對比見圖5。

圖5 改進后功率差值對比圖(3～10 m/s風速區間)

4.3 改進結果計算

按照風速區間對改進后的數據進行分類，借助Excel中的COUNTIF運算函數統計各風速區間對應的風頻，則各風速區間下的風力分布時間計算公式為：

以8.5～9.5 m/s風速區間為例，其風頻統計為148次，由于機組實際風速與功率采集時間間隔為10 min，則風力分布時間=風頻統計×采集時間間隔/ 60=148×10/60=24.67 h，即原始數據8.5～9.5 m/s風速區間的分布時間為24.67 h。按照以上方法進行統計、計算，則改進后各風速區間下風力分布時間統計情況見表3。

表3 改進后風力分布時間統計

改進電量計算公式為：

式中：P為改進電量；Pi為各風速區間段功率

差值；Ai為各風速區間段風力分布時間。

以8.5～9.5 m/s風速區間為例(將8.5～9.5 m/s風速區間劃分到9 m/s風速下)，9 m/s的風速下改進前后的功率差值為33.92 kW，則改進電量為：33.92×24.67= 836.81 kWh。采用相同的計算方法計算各風速區間對應的改進電量，將各風速區間對應的改進電量進行求和，合計約0.1萬kWh，即2016年9月份通過風向標的改進工作，A03號風機共提升電量約0.1萬kWh。

改進電量統計情況見表4。

表4 改進電量統計

5 結語

本文重點針對風電場風向標N點位置易發生偏移、旋轉易卡澀等問題，提出了相應的改進方法，并通過對風向標改進前后的風機發電量進行分析，驗證了改進效果明顯，為進一步優化風機運行、提升風機發電量起到了積極作用。

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