基于綜合監(jiān)控分析系統(tǒng)的風機發(fā)電性能優(yōu)化

孫學艷

（國電湖口風力發(fā)電有限公司，江西九江 332000）

0 引言

目前，隨著國家風電產(chǎn)業(yè)政策落實和風電技術的發(fā)展，我國風電裝機容量迅速增長，打造“無人值班，少人值守”風電場，設置風電場遠程監(jiān)控自動化系統(tǒng)，建立集控中心是風電場發(fā)展趨勢。但對于裝機容量較小、人員較少的新能源企業(yè)，要實現(xiàn)先進高效的管理，需要探索適合企業(yè)的管理模式。

1 綜合監(jiān)控分析系統(tǒng)建設

1.1 建設背景

國電湖口風力發(fā)電有限公司是國電江西電力有限公司下屬三級單位，2017 年1 月公司第一座風電場皂湖風電場24 臺風機全部投產(chǎn)，風機原有SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)功能有限，運行管理、風機運行優(yōu)化、性能評估績效對比缺少有效手段，統(tǒng)計報表手工計算，信息零散數(shù)據(jù)缺失；風機檢修維護、風場運維人員技術水平參差不平，風電場位置較遠，全公司設置安全生產(chǎn)部、計劃財務部和綜合管理部等3 個部門，包括公司領導只有12 名人員，管理人員較少且信息獲取不準確不及時，管理成本高效率低。

同時，通過一年的風機運行數(shù)據(jù)顯示風電場24 臺風機2017 年利用小時1796 h，低于可研利用小時168 h；風場風機位風速差異較大，風機間發(fā)電能力差異性較大，10 臺風機屬于無效風機。風場發(fā)電能力低下的實際問題擺在面前，部分風機位風速低是客觀原因，改變風機位風資源是困難重重，只有從提升風機發(fā)電性能入手來改變這一現(xiàn)狀。

1.2 建設規(guī)劃

首先，在風機原有SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)基礎上，實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)全量全樣本采集與傳輸，利用云平臺及大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，以最少的投資實現(xiàn)遠程監(jiān)控分析診斷，提高經(jīng)濟運行水平；其次，用分析結果指導風機發(fā)電性能優(yōu)化，提高風場發(fā)電能力；最后，在條件成熟情況下，實現(xiàn)“無人值班，少人值守”運維模式，提高企業(yè)經(jīng)營利潤。

2 綜合監(jiān)控分析系統(tǒng)功能

2.1 風機精細化控制

通過對24 臺風機進行運行參數(shù)的采集分析、判斷報警、提示處理，為運維人員監(jiān)控及操作提供了方向性指導，實現(xiàn)了風機的精細化控制。

2.2 風場經(jīng)濟運行分析優(yōu)化

以理論發(fā)電量平衡分析法為主線的大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析以及預警提示，為判斷風機是否在有效發(fā)電、是否處于正常狀態(tài)，預測可能發(fā)生故障的部件提供了基礎數(shù)據(jù)，以HADOOP 大數(shù)據(jù)為基礎的設備分析診斷，通過數(shù)據(jù)分析預判來指導狀態(tài)檢修，挖掘設備潛力，優(yōu)化風機發(fā)電性能，提高風場經(jīng)濟運行水平，提高風場發(fā)電能力。

2.3 管理創(chuàng)新

各級管理人員隨時通過電腦端和手機端實時瀏覽掌握風機運行信息；對運行人員的風機故障報警復位及時率、風機缺陷處理及時率、風機狀態(tài)轉換及時率的“三率”指標考核提供了依據(jù)；在發(fā)電量、綜合廠用電率完成率精確統(tǒng)計基礎上建立完善了獎懲制度，開展值際競賽，激發(fā)員工搶發(fā)電量、及時消缺的熱情，實現(xiàn)先進高效的管理，提質增效得到落實。

該系統(tǒng)帶來了運維管理手段的創(chuàng)新，不僅提高了運行人員值班質量，更提高了公司管理水平.通過大數(shù)據(jù)計算技術實現(xiàn)風機運行智能提醒，實現(xiàn)了精細化值班運行；在大數(shù)據(jù)平臺上采用電量平衡分析法，實現(xiàn)了專業(yè)化的管理；與風機PLC 實現(xiàn)接口，實現(xiàn)首發(fā)故障診斷，減少故障判斷時間；實現(xiàn)故障統(tǒng)計分析，提高了巡檢、維護技改的針對性；通過移動監(jiān)視故障實時查詢，溝通及時高效，提高了管理效率及水平；基于該系統(tǒng)的風機發(fā)電能力分析優(yōu)化，提高了低效風機的發(fā)電能力。

該系統(tǒng)投入運行7 個月，風機缺陷數(shù)量同比降低15%，缺陷累計時間同比減少380.4 h，考核利用小時差異率β 值同比降低0.40%，風機故障及計劃檢修損失電量減少53 萬千瓦時，不包括風機發(fā)電性能優(yōu)化增發(fā)電量收入增加經(jīng)濟效益276 342 元。

3 基于該系統(tǒng)的風機發(fā)電性能優(yōu)化

3.1 風機性能優(yōu)化切入點

2017 年風電場運行數(shù)據(jù)如表1 所示，單從風速與發(fā)電量對應關系看，風機發(fā)電能力差異性大，如對A14 風機和A8 風機進行比較，風速和并網(wǎng)運行時間幾乎相同，但發(fā)電量相差434 404 kW·h，結合大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)擬合風速與功率曲線，如圖1 所示，A14 風機風速功率曲線較差。

表1 風電場運行數(shù)據(jù)

圖1 風電場風機風速與功率曲線擬合

依據(jù)風電機組的運行機理及權威機構對批量運行機組的測試分析可知，如表2 所示，偏航對風靜態(tài)誤差造成的損失電量占5%，國電湖口公司以偏航誤差優(yōu)化為切入點，進行風機性能優(yōu)化。

表2 發(fā)電量損失統(tǒng)計

3.2 風機偏航誤差優(yōu)化方案選擇

偏航系統(tǒng)是大型風力發(fā)電機組的重要部分。風電機組通過偏航系統(tǒng)保證機艙跟隨風向的變化，保證機組葉輪正對氣流來流方向，從而最大限度地利用風能。偏航控制的重要環(huán)節(jié)是風向的測量，也就是機艙和氣流運動方向的相對關系。這個測量是通過機艙上安裝的風向標完成的，風向測量的偏差會導致統(tǒng)計意義上的靜態(tài)偏差。這種靜態(tài)偏差會帶來發(fā)電量的損失，理論上，偏航對風靜態(tài)誤差角度θ與其造成的發(fā)電量損失成余弦平方關系如圖2 所示。理論推算的偏航對風靜態(tài)偏差帶來的潛在發(fā)電量損失情況見表3。

圖2 誤差角度θ 與造成的發(fā)電量損失關系

表3 偏航誤差造成的發(fā)電量損失統(tǒng)計

靜態(tài)偏差的形成是多種因素導致的，包括安裝、維護、信號鏈路固有偏差、測風設備自身誤差，葉輪尾流和機艙影響等等。由于造成偏差的原因多樣，不易從源頭上消除。如何低成本及時地發(fā)現(xiàn)這種偏差，如何修正這些偏差從而減少潛在的發(fā)電量損失就成為一個重要的課題，并且非常有經(jīng)濟意義。

目前，在實際運維過程中，都是通過風向標對零位檢查來盡量減小偏航對風的偏差，這種方式如果執(zhí)行的好，也是一種非常必要的措施。但是風向標對零位這種方法無法發(fā)現(xiàn)所有環(huán)節(jié)上帶來的對風靜態(tài)誤差。僅僅靠風向標對零，并不能消除諸如信號鏈路、測風設備本身、葉輪尾流和機艙影響等其他方面帶來的誤差。

湖口公司以偏航誤差為切入點，基于綜合監(jiān)控分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的誤差估算方法優(yōu)勢就很明顯，這種方式不需要停機，不需要安裝額外的設備，但可以通過機器學習算法和大數(shù)據(jù)分析手段得到比較理想的結果。

3.3 風機性能優(yōu)化方案實施

（1）了解現(xiàn)場風速儀使用情況：不同測風設備的特性研究，比如機械式風向標測量的數(shù)據(jù)表現(xiàn)。

（2）風電場風機機組型號、控制系統(tǒng)版本、大部件信息等。

（3）導出風場每臺風機近半年與風速儀相關點10～20 個，形成CSV 文件。

（4）開展機器學習方法在機組運行工況自動識別，有效偏航數(shù)據(jù)篩選。以工況自動識別，和數(shù)據(jù)篩選方法為基礎，對偏航數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析清洗。

（5）展開偏航運行過程的功率變化特性研究，根據(jù)葉輪氣動特性和機組發(fā)電出力特性的機理過程，研究功率在不同偏航角度下的表現(xiàn)和數(shù)據(jù)特征。

（6）在上述步驟的基礎上，完成偏航對風靜態(tài)誤差的估算方法。并研究數(shù)據(jù)可視化在結論審核和確認中的作用和方法。

（7）研究機型的控制參數(shù)體系，制定靜態(tài)誤差修正的詳細工作流程和技術措施，最終實現(xiàn)機組發(fā)電量提升。

3.4 效果驗證方案

偏航對風靜態(tài)誤差修正后的效果可以用風電機組發(fā)電能力對比的方式，具體實施步驟如下。

①采用修正前機組功率曲線1 與標準風速計算該機組等效年發(fā)電量（AEP1）；

②修正運行1 個月后，計算機組功率曲線2 與標準風速對應的等效年發(fā)電量（AEP2）；

③計算AEP1 與AEP2 的偏差比例K=（AEP2-AEP1）/AEP1；

④K 作為修正后機組提高電量比例。

3.5 優(yōu)化效果

對風電場24 臺風機偏航對風系統(tǒng)進行優(yōu)化，分析機組的偏航對風靜態(tài)誤差平均值為10°，經(jīng)算法修正后平均提升發(fā)電量2.6%。

4 結語

在現(xiàn)有風資源基礎上，持續(xù)提升風場風機發(fā)電能力是經(jīng)濟運行重點工作，湖口公司下一步將進行齒輪箱、發(fā)電機等性能優(yōu)化。

湖口公司綜合監(jiān)控分析系統(tǒng)的應用，以最低的投資，實現(xiàn)管理創(chuàng)新的同時，提高了低效風機發(fā)電能力，提高風機經(jīng)濟運行水平，值得小規(guī)模新能源企業(yè)參考實施。