風力發電機組高于切出風速的降容增效優化運行

胡湘濤，張晉磊，向宗原

(大唐涼山新能源有限公司，四川 普格 615300)

0 引言

隨著我國風力發電裝機容量的不斷升高,并網風電的波動性及反調峰性給電力系統穩定帶來了巨大影響。拓展風力發電機組的可利用風速范圍、提高風力資源的利用空間、維持風力發電機組(以下簡稱風機)出力的持續穩定，是當前風電行業研究的重要課題。對高于設計切出風速運行的風機進行降容增效，是繼加長葉片、增加機組額定功率等方式之外的另一項提高風能汲取和轉換效率的途徑。在完備的保護措施下，風機在高于設計切出風速的一段區間內可降低機組出力繼續運行，從而在提高自身發電效益、拓寬機組的可利用風速范圍，為維持風電場并網出力穩定作出了貢獻[1]。

1 項目概述

大唐海口風電場位于海拔3 400～3 600 m的四川省涼山州高原山地上，裝機容量50 MW，由17臺FD108型(設計切出風速為25.0 m/s)和8臺FD116型(設計切出風速為20.0 m/s)雙饋型風機混排組成。2018年5月底，最后一批風機已并網發電。為挖掘風電機組的發電潛力、提高設備可利用率，提出了風機高風速下降容增效的研究課題，通過參照FD108型風機的運行方式，以FD116型風機為對象進行研究和論證，使FD116型風機在風速處于20.0～25.0 m/s之間時(高于20.0 m/s后不停機)，降低機組負荷繼續運行，從而提高風電場發電效益、拓寬風電機組的實際可發電風速范圍(見表1)[2]。由滿負荷停機改為降負荷運行，一定程度上減小了風電場并網出力的波動，為保持電網穩定做出了貢獻。

2 優化方案概述

當地的風向、風速如圖1所示。當FD116型風機在20.0～25.0 m/s風速下降容運行時，風速高于設計切出風速，通過降低設定功率(如圖2所示)降低機組出力，使機組在滿足載荷要求、保障安全運行的情況下，在高于原設計切出風速的工況下不再停機，而是通過查找降容風速功率表確定當前設定功率，使機組保持并網運行，提高發電量。風機保護邏輯定值見表2，風機降容運行的控制邏輯設計如圖3、圖4所示[3]。

表1 區間風速為20.0～25.0 m/s的機組發生小時數Tab.1 Number of hours within 20.0～25.0 m/s wind speed

圖1 風場風向玫瑰圖(m/s)

Fig.1 Wind rose diagram(m/s)

圖2 FD116機型設定功率曲線

Fig.2 Power curve of FD116 generator

3 風機安全試驗載荷對比分析

選取了關鍵部件的極限載荷和疲勞載荷，將機組降容運行載荷與風機運行設計載荷進行對比，確保降容運行時的機組載荷在設計的安全范圍內。

Fig.3 Gale shutdown logic of wind turbine

圖4 風機回切并網運行邏輯

Fig.4 Wind turbine back-cut grid operation logic

3.1 極限載荷對比

分別選取Mxy，Myz作為葉根、靜態輪轂、旋轉輪轂和偏航軸承在x-y向與y-z向的極限載荷，分析結果見表3。降容運行時的關鍵部件載荷小于正常運行載荷，機組運行在設計安全范圍之內。

表3 極限載荷對比結果Tab.3 Ultimate load comparison results

3.2 疲勞載荷對比

選擇載荷系數m=4，x向、y向、z向的疲勞載荷為Mx，My,Mz，對關鍵部件進行對比分析，結果見4。

表4 疲勞載荷對比結果Tab.4 Fatigue load comparison results

結合表3、表4，暴風期間降容運行后極限載荷與疲勞載荷低均于正常運行載荷的設計值，機組降容運行無安全風險。

4 優化方案產生的效益

4.1 經濟效益分析

機組降容運行能夠有效提升發電量。以年平均風速為6.5 m/s的發生時間為例，對降容增效后的海口風場進行年新增發電量的估算(見表5)，風電場在生命周期內可新增收益約108 362.4元。

4.2 行業效益

風機高于切出風速的降容增效的實施，拓寬了風電機組的可利用實際可發電風速范圍，減小了風電場對電網的波動范圍，為風電機組保持電網穩定作出了貢獻，提高了風電機組的競爭力。

表5 海口風電場年新增發電量和收益的估算Tab.5 Estimation of increasing power generation and revenue in Haikou Wind Farm

5 結束語

經過論證和研究，設置適當的功率指令，輔以組態完備的并經過測試試驗的保護邏輯，使運行風機的各部件的極限和疲勞載荷都在機組設計的安全范圍之內，風電機組在高于設計切出風速下進行降容運行是安全可行的。

降容運行增加了風電機組的發電量，提高了風電機組的可利用時間，也為風電場保持并網出力穩定做出貢獻，今后可以成為風電場提效增發的一個重要研究發展方向。