福建某風(fēng)電場(chǎng)功率曲線測(cè)試分析及改進(jìn)研究

林通達(dá) 莫爾兵

某風(fēng)電場(chǎng)位于福建省陸地區(qū)域，安裝了35臺(tái)額定功率為2500kW的直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)輪直徑為110m，塔筒高度為80m。投運(yùn)后年發(fā)電量未達(dá)到預(yù)期，為了分析原因，業(yè)主組織第三方進(jìn)行了功率曲線測(cè)試。

由于風(fēng)電場(chǎng)地形復(fù)雜，不滿足IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試地形要求，經(jīng)過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)35臺(tái)機(jī)組的實(shí)地考察，第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)選取地形條件最好的G6號(hào)機(jī)組，擬定了用激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)的方式進(jìn)行功率曲線測(cè)試。第一次測(cè)試結(jié)果表明功率曲線比設(shè)計(jì)值低，沒(méi)有達(dá)到合同要求的功率曲線保證值。機(jī)組廠商對(duì)測(cè)試機(jī)組進(jìn)行了檢查，并分析了測(cè)試原始數(shù)據(jù)，檢查結(jié)果表明機(jī)組整體處于正常狀態(tài)，機(jī)組的控制系統(tǒng)與經(jīng)過(guò)型式認(rèn)證的原型機(jī)有較大差異，分析測(cè)試原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)機(jī)組的控制策略及算法需要進(jìn)行調(diào)整。

為了驗(yàn)證技術(shù)分析的結(jié)論，機(jī)組廠商對(duì)該機(jī)組的電控系統(tǒng)進(jìn)行了改造，采用改進(jìn)后的控制策略及算法進(jìn)行第二次測(cè)試，在兩次測(cè)試機(jī)組及測(cè)試系統(tǒng)完全相同的條件下，第二次測(cè)試結(jié)果證明了改造后的功率曲線有較大幅度的提高，滿足了合同規(guī)定的功率曲線保證值要求。

功率曲線測(cè)試方法及結(jié)果

按照IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了測(cè)試扇區(qū)篩選，確定了有效扇區(qū)為19.8°～85°，在G6號(hào)機(jī)組東北方向安裝激光雷達(dá)。

功率曲線測(cè)試的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由1個(gè) Ammonit Data Logger Meteo-40M型主采集模塊、1個(gè)安科瑞 BD-4P型功率變送器、1組（3個(gè)）AKH-0.63/ KFXZ型電流互感器、1個(gè)HMS83溫濕度一體計(jì)、1個(gè)BP-20 型氣壓計(jì)以及1臺(tái)Windcube V2型激光雷達(dá)組成。

具體采集方法為：風(fēng)電機(jī)組功率信號(hào)由安裝在塔筒底部的功率變送器采集，采樣頻率為1Hz。數(shù)據(jù)采集以 10分鐘為計(jì)算周期，計(jì)算平均值、最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。凈電功率由安科瑞 BD-4P型功率變送器測(cè)量得到，凈電功率的采集在被測(cè)機(jī)組側(cè)進(jìn)行。輸入電流由安科瑞 AKH-0.63/ KFXZ型電流互感器采集，互感器為開(kāi)口型，套裝于箱變低壓側(cè)銅排上。該功率變送器的輸入電壓為690V，電壓由銅排緊固螺母引出。溫濕度信號(hào)由安裝在機(jī)艙外氣象架上的 HMS83 溫濕度一體計(jì)采集。氣壓信號(hào)由 BP-20型氣壓計(jì)采集。氣壓傳感器安裝在塔筒門(mén)高度，測(cè)量的氣壓通過(guò) ISO 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為輪轂高度處氣壓。風(fēng)速和風(fēng)向由Windcube V2 型激光雷達(dá)測(cè)量得到，測(cè)量高度為80m。測(cè)試方根據(jù)GB/T 18451.2―2012標(biāo)準(zhǔn)要求，將所測(cè)得數(shù)據(jù)組標(biāo)準(zhǔn)化到測(cè)試場(chǎng)地預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（1.171kg/m3）下，處理測(cè)試數(shù)據(jù)得到功率曲線測(cè)試結(jié)果（表1）。

按照風(fēng)電場(chǎng)可研報(bào)告中的主要風(fēng)能資源參數(shù)，年平均風(fēng)速為 6.78m/s，根據(jù)威布爾分布，將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化至預(yù)定義空氣密度下，用測(cè)量的功率曲線計(jì)算的年發(fā)電量是用保證功率曲線計(jì)算年發(fā)電量的90.01%。

功率曲線不達(dá)標(biāo)原因分析

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，測(cè)試功率曲線比機(jī)組設(shè)計(jì)功率曲線差，發(fā)電量保證率低于合同保證值。而廠家該型機(jī)組已于2014 年8-11 月在張北實(shí)驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行過(guò)型式認(rèn)證測(cè)試，測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)功率曲線。因此需要對(duì)照型式認(rèn)證的原型機(jī)進(jìn)行差異化分析，通過(guò)分析測(cè)試原始數(shù)據(jù)，查找原因，并提出改進(jìn)方案。

一、測(cè)試數(shù)據(jù)分析

檢查該測(cè)試機(jī)組各項(xiàng)主要參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)值，如葉片長(zhǎng)度、塔筒高度、葉片零位、控制參數(shù)等。

首先，風(fēng)電機(jī)組廠家對(duì)機(jī)組進(jìn)行了全面的檢查分析。如葉片零位槳角確定、控制參數(shù)檢查等。葉片零位以葉片合模縫而不是葉片角度標(biāo)識(shí)板為基準(zhǔn)進(jìn)行檢查，避免了標(biāo)識(shí)不正確帶來(lái)的影響。檢查結(jié)果表明葉片零位調(diào)整到位。控制參數(shù)按照設(shè)計(jì)文件檢查無(wú)誤。

其次，由于風(fēng)電機(jī)組廠家的2500kW機(jī)組有103m/110m兩種風(fēng)輪直徑，葉片接口一致，為了確認(rèn)機(jī)組的葉片直徑是110m，現(xiàn)場(chǎng)將一支葉片旋轉(zhuǎn)到垂直向下方位，將對(duì)其水平拍攝的照片與機(jī)組的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖1所示。圖1的左圖是距離測(cè)試機(jī)組約1km處的水平照片，機(jī)組的一支葉片盡量垂直向下，右圖為該機(jī)組設(shè)計(jì)外形圖，其中劃過(guò)塔筒底部的兩條圓弧線分別為103m風(fēng)輪直徑和110m風(fēng)輪直徑的兩款葉片掃過(guò)塔筒的位置。

將照片的輪轂中心及塔底位置與設(shè)計(jì)圖按需要的比例調(diào)整一致。可以明顯看出，測(cè)試機(jī)組垂直向下的葉尖在塔筒上的位置與設(shè)計(jì)圖中110m風(fēng)輪直徑的位置吻合。另外，現(xiàn)場(chǎng)還通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)葉片長(zhǎng)度進(jìn)行空中測(cè)量，也確認(rèn)風(fēng)輪直徑為110m。由此可確定，塔筒高度與葉片長(zhǎng)度均符合設(shè)計(jì)要求。

二、控制策略分析

對(duì)比該型機(jī)組的型式實(shí)驗(yàn)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)告，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的湍流強(qiáng)度遠(yuǎn)大于張北實(shí)驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)，這對(duì)額定風(fēng)速附近的測(cè)試功率曲線影響嚴(yán)重，比如在12m/s時(shí)存在較大的功率曲線凹坑。

機(jī)組的變頻器雖然進(jìn)行過(guò)更換，但新變頻器也經(jīng)過(guò)了廠內(nèi)測(cè)試，其效率符合要求，并且變頻器的微小效率差異對(duì)功率曲線的測(cè)試結(jié)果影響較小。此外，機(jī)組運(yùn)行時(shí)變頻器的發(fā)熱沒(méi)有明顯異常，同樣表明變頻器效率在設(shè)計(jì)值內(nèi)。

現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組采用的為某進(jìn)口品牌的控制系統(tǒng)，其控制算法獨(dú)特，采取塔筒共振防御控制策略（圖2）。該策略可以拓寬機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍，理論上具有提高功率曲線的效果。但是通過(guò)逐個(gè)分析bin區(qū)間原始測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)bin區(qū)間，即使10分鐘平均風(fēng)速大致相同，但10分鐘的平均功率有較大的差異，而且與10分鐘的平均轉(zhuǎn)速存在相關(guān)性。在每個(gè)bin區(qū)間，如果按照10分鐘的平均轉(zhuǎn)速對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行排列統(tǒng)計(jì)，可以得出按照平均轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選后的實(shí)測(cè)功率會(huì)有較大的提高，完全可以滿足功率曲線保證值。由于篇幅有限，表2列出在低風(fēng)速段和中等風(fēng)速段的4個(gè)bin區(qū)間進(jìn)行示例。

進(jìn)一步分析在大致相同的10分鐘平均風(fēng)速下機(jī)組的10分鐘平均轉(zhuǎn)速處于較低值的原因：塔筒共振防御控制策略將運(yùn)行轉(zhuǎn)速鎖定于低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速兩端，避開(kāi)了塔筒共振轉(zhuǎn)速段。風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，并不能及時(shí)跟隨風(fēng)速變化，特別是項(xiàng)目所在風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際風(fēng)能資源湍流強(qiáng)度高、風(fēng)速變化快。在風(fēng)速快速升高時(shí)，機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速被塔筒共振防御控制策略鎖死在低速段一段時(shí)間，只有當(dāng)風(fēng)速升高、積累的能量足夠時(shí)，機(jī)組才能升高到高轉(zhuǎn)速段運(yùn)行；在風(fēng)速快速降低時(shí)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速被塔筒共振防御控制策略鎖死在高速段一段時(shí)間，只有當(dāng)風(fēng)速下降且能量耗散足夠時(shí)，機(jī)組才能降低到低轉(zhuǎn)速段運(yùn)行。

對(duì)于該風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況，在較低風(fēng)速下，運(yùn)行于較低轉(zhuǎn)速的機(jī)組從塔筒共振防御控制策略得到的風(fēng)輪效率較高的好處，不足以補(bǔ)償當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)升高時(shí)機(jī)組被該策略鎖定在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行帶來(lái)的風(fēng)輪效率降低的損失。這是因?yàn)椋?dāng)風(fēng)速波動(dòng)升高時(shí)，可利用的風(fēng)能將以三次方的程度升高，風(fēng)輪效率降低帶來(lái)的功率損失絕對(duì)值非常明顯。因此，在該風(fēng)電場(chǎng)取消共振防御控制策略是一個(gè)優(yōu)化措施。

從中風(fēng)速段（bin區(qū)間20、21）可以看出，機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速14.5rpm。機(jī)組在大風(fēng)時(shí)段的PI控制策略表現(xiàn)差。

從機(jī)組的數(shù)據(jù)服務(wù)器上導(dǎo)出一段時(shí)間的秒級(jí)轉(zhuǎn)速與力矩的運(yùn)行數(shù)據(jù)（圖3）。從圖中可以看出，在13rpm以下，力矩控制與設(shè)計(jì)要求相符合，但在13rpm以上，力矩控制指令與設(shè)計(jì)要求存在較大差異，平均轉(zhuǎn)速低于機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，力矩散點(diǎn)分散情況嚴(yán)重，力矩控制算法需要改進(jìn)。

控制策略改進(jìn)及測(cè)試驗(yàn)證

綜上所述，需要對(duì)機(jī)組控制策略、算法進(jìn)行改進(jìn)。風(fēng)電機(jī)組廠家提供并實(shí)施了改造機(jī)組主控系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的技術(shù)方案。具體方案如下：

主控系統(tǒng)保留了主控柜內(nèi)原電氣回路，更換了自主研發(fā)的主控模塊和主控程序，采用了型式認(rèn)證時(shí)的控制策略和算法，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際湍流強(qiáng)度高的情況，取消了共振防御控制策略，將機(jī)組的最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速提高到塔筒共振轉(zhuǎn)速以上，避開(kāi)共振。

為了適應(yīng)改進(jìn)后的自主研發(fā)主控模塊及主控程序，特別是為了保持主控模塊與其他功能模塊通信穩(wěn)定可靠，機(jī)組廠家相應(yīng)地改造了電量測(cè)量模塊和振動(dòng)測(cè)量模塊。同樣為了保證主控與變槳的通信穩(wěn)定可靠和變槳系統(tǒng)具備響應(yīng)主控指令能力，機(jī)組廠家改造了變槳系統(tǒng)，更換了變槳電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，保留了后備電源部分。

將G6機(jī)組按照廠家的改造方案進(jìn)行改造，繼續(xù)在該臺(tái)機(jī)組上用原測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行功率曲線測(cè)試驗(yàn)證。

圖4為改造后的G6機(jī)組2019年5月11日的運(yùn)行力矩?cái)?shù)據(jù)散點(diǎn)圖。與圖3相比，該圖顯示機(jī)組經(jīng)過(guò)改造后，控制效果明顯改善，運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速提高到了與設(shè)計(jì)相符的14.5rpm，機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速附近的散點(diǎn)密集，不分散。

改造后的G6機(jī)組測(cè)試功率曲線保證率達(dá)到了99.58%，證明了改造效果很好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

結(jié)論

對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)2500kW風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率曲線測(cè)試，初次測(cè)試結(jié)果較差。經(jīng)過(guò)技術(shù)人員對(duì)機(jī)組實(shí)際情況分析，認(rèn)為控制系統(tǒng)是影響功率曲線測(cè)試結(jié)果的主要原因。對(duì)測(cè)試原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)10分鐘測(cè)量功率與機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速有確切的相關(guān)關(guān)系。由于風(fēng)電場(chǎng)的湍流強(qiáng)度大、風(fēng)速變化快且幅度大，機(jī)組的共振防御控制策略在該風(fēng)電場(chǎng)不適用。機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速附近的力矩控制效果差，機(jī)組平均運(yùn)行轉(zhuǎn)速低，功率曲線不佳。

風(fēng)電機(jī)組廠家對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，取消了共振防御控制策略，優(yōu)化了機(jī)組的控制算法及參數(shù)，提高了機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。采用原測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該機(jī)組改造后的功率曲線再次進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果表明，功率曲線保證值有較大提高，證明了分析結(jié)論可信，改造技術(shù)可行。

（作者單位：林通達(dá)：福建省福能新能源有限責(zé)任公司；莫爾兵：東方電氣風(fēng)電有限公司）