風力發電機組功率曲線的分析與優化措施

李強

關鍵詞：功率曲線;槳距角;測風儀;參數;控制策略;優化

0、引言

功率曲線是風力發電機組的設計依據和認證、考核的技術指標。功率曲線可以反應功率特性、風能轉換效率，體現出機組的運行方式和控制策略，首先功率曲線的準確診斷分析建立在真實數據的反映和科學的數據處理的基礎之上，機組的功率曲線如果超出設計的標準功率曲線，將使風力發電機組處于過負荷狀態，影響機組壽命;而實際測試功率曲線低于標準功率曲線時，又影響機組的發電量，降低投資回報率。因此功率曲線的分析和優化措施至關重要。

1、功率曲線的影響因素

通過分析風能公式的各種影響因素，為我們分析異常功率曲線指明了方向。

2、異常曲線分析

2.1 低風速段高于保證曲線

低風速段比保證曲線高，如圖2.1所示，該問題不作為本文討論重點，但基本上所有機組都會存在，對此推測可能原因：

（1）部分SCADA系統無功率密度修正功能，導致顯示出錯。功率曲線受空氣密度影響較大，在同等風速下，空氣密度正比于發電功率，夏天和冬天的空氣密度往往差 20～30%左右[2];

（2）傳統的機械式風速儀在低風速段測量出來的風速偏小。如存在潤滑問題或者從小風上升到大風的過程中，風速儀的響應偏慢（另一方面，在大風下降到小風的過程中，也會導致中等風速段測量的功率曲線偏差）;

（3）保證曲線在該風速段需要適當修正。

2.2 低風速段低于保證曲線

低風速段比保證曲線低，該問題存在較少，對此推測可能的原因：

（1）陣風頻譜和湍流強度的影響;

（2）因風速波動造成控制策略中偏航響應時間延長;

（3）低風速段控制策略未優化。

2.3 中等風速段偏離保證曲線

在中等風速段（拐點以前曲線，8-12m/s 左右風速段）偏離保證曲線，如下圖2.2所示：

該情況主要原因是風能捕獲效率存在問題或者氣候條件影響：

（1）槳葉刻度調零偏差;

（2）風向標校準偏差;

（3）偏航響應遲緩;

（4）機組處于“附加轉速”運行狀態（僅 Bachmann等系統）;

（5）齒輪箱變速比設置錯誤;

（6）在中等風速以上，部分葉片在空氣密度比較低時（夏天，或高海拔條件下），存在“失速”現象，葉片氣動效率降低;

（7）紊流或者空氣密度影響，導致該風速段所捕獲的能量比較少。

以上（1）、（2）兩種情況往往會并存，由于風輪系統的大慣性特點，而風速變化又比較快，因此這兩種情況往往會互相影響，如額定點的偏低往往會拉低額定點（拐點）前中等風速段的效率;而中等風速段的捕獲效率差，往往會導致進入滿發點的風速點相對偏大。

2.4 額定點偏離保證曲線

額定點（高風速段的拐點以后曲線，風速約在 12m/s 以后）偏離保證曲線，偏離范圍可以從幾十個 kW 到上百個 kW 之間，如下圖2.3所示：

經過查詢運行詳細參數造成該情況主要原因是：

（1）額定點設定有問題，風機還沒達到標準值時，變槳就提前動作。如出現限負荷（機組內部的保護性降容運行、手動限轉速、風場功率調度等，限負荷數據原則上不進入功率曲線統計范圍，但有部分主控廠家功率曲線統計規則可能有誤，導致生成的功率曲線出現較大問題，該部分在功率曲線統計部分還有補充描述）、機組額定點沒有調整到標準要求;

（2）主控與變頻器 4-20mA 力矩信號[2]沒有校準好，因信號接口松動或者通訊線纜較長、接觸不良、屏蔽差等情況所導致，因此需要下發力矩指令對變頻器與主控系統間的線纜進行校準;

（3）主控的變槳算法 PI 參數設置有誤，在額定點功率穩不住，波動較大。

3、優化措施

3.1 內部優化

1）槳葉調0

Cp是葉尖速比λ和葉片節距角的非線性函數，因此風機的Cp曲線都可以表示成與葉尖速比λ和節距角的關系式，如圖3.1所示。

核對機組3只葉片的絕對0刻度，對其進行校準。槳葉角度偏差大可從2種方式甄別，后期運行中偏差可通過單只槳葉A、B編碼器對比得出或三只槳葉偏差得出;還可通過機組的運行振動曲線得出，即偏差大時機組振動幅度較大且呈周期性變化，功率曲線不平滑，長期運行將對風機的械部件造成永久性損傷，比如，機組主軸后竄、軸承高溫、螺栓斷裂等。

2）風向標校準

風向標是機組的“眼睛”，若風向標無法準確、靈敏的感知和反饋風向，機組將處于“失盲”狀態，無法使機組正面迎，降低機組風能捕獲能力，極大的降低機組功率曲線，減小發電量，因此校準風向標十分重要。

3）測風儀潤滑

風杯風速儀原理是隨轉速的升高轉矩降低，基本呈直線關系。在惡劣環境下運行轉矩增加誤差變大，可通過修正來抵消這部分的誤差，還可通過對測風儀進行去污、潤滑來提高靈敏性和準確度。

4）測風儀加熱器

冬季時若測風儀加熱器不工作會導致摩擦力增大，如圖3.2所示，測量誤差加大，因此要檢查加熱器回路是否正常工作。

5）測風儀信號

在測風儀信號傳輸中接入了浪涌模塊，浪涌模塊的精度直接決定著點信號傳輸的質量，因此檢查浪涌模塊也是至關重要的。

6）KL3404風測量模塊

測風儀將信號輸出到KL3404測量模塊，KL3404是AI模塊，通過電流大小轉換來表征風速、風向信號，若該模塊異常將影響風信號的正常傳輸，機組功率曲線將變化。

7）主控—變頻器力矩傳輸

主控與變頻器之間的轉矩信號是通過通訊數據線來傳輸4～20mA的電流值，若主控到變頻器的電流值減小，變頻器將減小力矩輸出，機組功率降低，反之亦然，校準通訊數據線的電阻值可以精準控制功率。

8）機組參數

變槳系統PI參數、主控轉矩、轉速、功率設定也將影響機組的功率，設定值過小導致提前收槳，功率減小，降低發電量。

9）控制策略

功率控制算法及控制策略都會導致機組功率控制有偏差，目前機組以差查表法來控制功率、轉矩、轉速等變量，其無法根據實際實時的調節變量，可用雙IP控制器或者爬山搜索算法、神經網絡算法、智能自適應學習法來取代傳統的查表法加快尋優[3]，控制策略、功率曲線修正都是建立在合理的基礎上，切不可為了優美的功率曲線而違背理論基礎，隨意修改。

3.2 外部優化

1）加長葉片

可提高風能捕獲能力，增加機組的功率，且在低風速有較好的發電性能。

2）增加塔筒高度

根據風闊線模型，隨高度的增加風速呈增大趨勢，在地勢低的地方效果顯著。

3）加裝葉片擾流器

根據風速風頻數據在需要改造的風速段，模擬仿真加裝葉片擾流器的位置和效率，通過加裝葉片擾流器可提高機組功率。

4）遷移機組

若在內外優化均無法改善機組的功率曲線，機組長期無法滿發，應重新對風資源進行評估，遷移風電機組。

4、總結

功率曲線是間接反映風力發電機組運行狀態和風電場運行分析的技術指標。風功率曲線的影響是外部環境和機組自身共同作用的結果，體現的是機組所處的環境工況的優劣、獲取風能的水平和機組本身的控制特性，有些外部環境影響很難克服，如：湍流強度、空氣密度、葉片長度、高度機組等，因此我們應提高各測量傳感器的標定水平，通過調整機組控制策略、尋找最優解等方式改善機組的功率曲線，有效提升發電量。

參考文獻

[1] 趙丹平，徐寶清.風力機設計理論及方法[M].北京：北京大學出版社，2012.01.

[2] 常峰.風力發電機組實際運行功率曲線的優化方案應用的研究[D].華北電力大學，2016.06.

[3] 羅清順.大型變速變槳風力發電機組的先進控制技術研究[D].浙江大學， 2016.01.