風電場發電量提升思路探討

申能新能源（青海）有限公司 趙 維

中國風電經過數十年的高速發展已逐步度過青春期向成熟能源邁進。在如今的技術條件和政策條件已相對完善的情況下“平價時代”如期而至，風電場的經營利潤進一步壓縮。在此政策背景下，提升發電量、保障風電場的經濟效益成了各風場業主最為關心的話題，也是支撐整個風電產業實現健康可持續發展的重要著力點。

1 技術角度

根據空氣動力學原理和機組的結構組成，風機的輸出功率為P=0.5V3ρACph，式中V為風速，ρ為空氣密度，A為風輪掃風面積，Cp為風能轉化效率，h為機組相關部件的工作效率。可看出，想要提升機組發電量可從風資源、空氣密度、風輪掃風面積、風能轉化效率、機組大部件的效率幾個方面考慮。

1.1 風資源提升

機組風資源的提升可從單個機組著手，也可從風場整體著手。

改善單個機組的風資源狀況。風電場改善單個機組的風資源狀況主要有“移機”和“加高塔筒”兩種方式。其中“移機”屬于較大的改造動作，這往往是前期選址工作出現了失誤導致。在了解了項目基本情況后，首先要確定該項目是否有移機的必要，即：移機是彌補損失還是擴大損失，因為一旦移機方案確定，將涉及風機和箱變拆裝工程及土建工程、集電線路工程、采購基礎環等一系列工作。而“加高塔筒”也需謹慎考慮，比較適合風切變較大的風場，但也要重新驗證載荷和經濟性。

改善整場的風資源狀況。通過整場風資源的合理調配和扇區管理，減少機組間尾流的影響，犧牲個別機組的出力情況，可使整場發電性能最優。

1.2 空氣密度利用優化

風場空氣密度的利用優化，即對機組控制邏輯中的最優增益模態值Kopt調節優化。當前實際運行的機組基本上都用發電機轉速或風輪轉速，通過一定的控制策略和控制算法計算出最佳的轉矩，然后給定轉矩來實現機組最大風能的轉換。

轉矩計算公式為Qd，式中V為風速、λ為葉尖速比、Wg為發電機轉速、R為風輪半徑、G為齒輪箱傳動比、P為功率、Cp為風能轉化效率、ρ為空氣密度、Qd為發電機轉矩設定值。其中即為最優模態增益Kopt，而最佳輸出功率P=Qd×Wg。由公式可看出Kopt與空氣密度關系密切。但目前在多數機組的控制算法中所采用的空氣密度為定值，而機組的空氣密度是時時在變化的，這樣就會導致轉矩最優給定存在一定的偏差，影響發電效果。

針對以上情況，可采集機組環境的氣象數據，將所得到的實時空氣密度引入控制算法中優化控制，達到最佳轉矩給定的目的，可進一步提高機組出力。同，根據夏冬季不同的空氣密度進行控制策略的季節性調整，也可達到機組的精細化控制，提升發電效率[1]。

1.3 掃風面積提升

國內早期建設的風電場往往都處于風資源最優質的區域，由于當初由于技術條件的限制，這些風場所選用的機組葉片在現在看來都偏小、捕風能力較差，導致這些區域優質風資源并沒有得到充分的利用。為了讓這些小葉片機組能重新發揮更大價值，加長葉片、增大掃風面積來提升發電量無疑是最為直接的方式。

以直徑100m的葉片為例，葉片延長2m掃風面積能增加近8%，在同樣的風速條件下，機組從來流中獲取的風能就有可能增加8%，因此提升效果還是很可觀的，目前市場上的應用案例也較多，通常有葉尖延長和葉根延長兩種方式。不管是哪種延長方式，在方案實施前都須經過嚴格載荷計算、強度分析等安全性評估，在提高機組發電量的同時還要確保技改后機組能夠安全平穩運行，不增加機組安全風險也不能減少機組壽命。另外改造后的提升效果也需要精確估算，確保成本可控，經濟性可行[2]。

1.4 風能轉化效率提升

根據風機的發電特性，風能轉化效率主要由葉片的氣動性和最優Cp的跟蹤策略來決定，所以風能轉化效率的提升思路也主要從這兩個方面來開展。

1.4.1 恢復或提升葉片的氣動特性

葉片清理/修補/貼膜：風電場通常建于山區或近海等區域，自然環境較差，風機葉片長期暴露在外，容易經受環境中雨滴、冰雹、鹽霧、風沙等粒子的侵襲，這些都是導致葉片腐蝕的主導因素，而葉片一旦遭受腐蝕后，其基體材料將直接暴露在紫外線及濕氣等惡劣環境中，更會加速葉片的老化，降低葉片的防雷指數，嚴重影響機組的發電效率和運行安全性。研究數據顯示，葉片因腐蝕、老化等缺陷對發電量造成的損失可達5%以上，由此可見，修復葉片、盡可能恢復其原有的氣動性（發電效率），對于風機發電量提升將是非常有效的途徑。

根據維護經驗，通常風場在正常運行兩年左右葉片就會有膠衣脫落、出現沙眼等情況，到第五年葉片外部材料基本就磨損到極限。因此，為保證風場長久健康運行，建議每年都要對葉片定期進行檢查，盡量選擇風小季節針對前后緣腐蝕、葉尖及葉片避雷系統進行檢查、維護、修補后，可在葉尖處前緣貼上風電葉片保護膜，加強葉片重點損壞部位的防護[3]。

加裝渦流發生器：渦流發生器最早產生于航空領域，目前在風電領域也得到了廣泛運用。它通過帶動高能流動區域的能量進入邊界層內的低能區域，使流體能量重新分布、抑制了流動分離，為機組減少由于氣流分離帶來的性能損失，提升原有的氣動性。加裝渦流發生器后的提效通常能達到2%～3%，但并不是所有風機都可以做，需經過嚴格的理論計算。

1.4.2 優化控制策略，跟蹤最優Cp

最優Cp跟蹤優化（從傳統查表模式優化成PI控制模式）：目前大多數風場機組運行在中低風速區間的時段最多，因此優化好這一風速區間的控制策略，追求最佳的風能利用系數（Cp），將會對機組發電量的提升起到關鍵作用。對于采用給定轉矩控制的風電機組，在早期的控制策略中轉矩給定是通過查表法來實現，通過發電機轉速來查對應的轉矩，從而實現最優Cp的跟蹤（圖1中ABEFGH）。該方法雖然簡單方便但局限性也明顯：由于機組受最小并網轉速和額定轉速的約束，查表法在兩個邊界轉速上，只能采用斜率較大的過渡斜線（AB→AC、EF→DF）來表征轉速與轉矩的對應關系，這種過渡斜線的方法縮短了最佳葉尖速區間，減少了機組的發電量；在圖1中CD區間段，由于查表法點數有限，通常需要通過線性插值方式來計算給定轉矩，實際上并不能很好跟蹤這段曲線。為實現最大風能的捕獲，風電機組的轉速-轉矩就得沿著圖中ABEF軌跡運行，目前常用的辦法是可采用比例積分（PI）控制器來實現[4]。

圖1 轉速-轉矩控制邏輯

圖2 某風場葉片零位校準舉例

葉片零位校準：根據Cp-λ曲線可知，風機在功率上升階段應保持正對風（即槳角0度）的狀態才能跟蹤最優Cp。因此風機葉片零位設置是否準確，將直接影響機組在功率上升階段對于風能的利用效率。以某風電場為例，該風場機組葉片零位普遍存在偏差，導致發電效率低下。經現場測試，該系列機組葉片處于4度槳角時才相當于正常的零位，經過0位校準后機組功率恢復了正常的輸出水平。

1.5 大部件的運行效率提升

根據風機的能量轉化原理，風能經過葉輪吸收后需經過風機傳動鏈上一系列部件轉化，最后由發電機輸出為電能，在這整個過程中傳動鏈上各部件的運行效率（機械效率、電氣效率、自耗電等）將對最終輸出有著重要影響。因此，提升傳動鏈部件的運行效率將是機組發電量的提升的一個有用方向。

根據大多數風場的運維經驗，可參考的思路有：優化相關部件設計缺陷。如散熱器功率低，繼電器電流閥值過小等；恢復、提高部分傳感器及零部件精度。如轉速傳感器精度、溫控閥改造等；根據風場特定環境，如春天容易飄柳絮堵塞散熱口、冬天溫度太低影響潤滑等情況，可制定相對應的優化策略，保障相關部件的正常健康運行。

2 管理角度

一個風電場的發電能力，除與先天的風資源條件及所選機組的質量水平有關外，運維團隊的管理水平也是一個不容忽視的影響因素。科學合理的運維管理能使機組充分利用風力資源，減少故障發生頻率，保持機組健康穩定的運行狀態，最終達到獲取最大發電量的目的。

檢修維護策略優化。分析歷年風速和限電數據，合理編制全年檢修和技改時間計劃，不限電地區安排在小風期，限電地區安排在限電嚴重月份；備品備件管理優化。做好備品備件的統計，分析使用情況，準確掌握常用備品需求，合理進行儲備；負荷調度管理優化。積極與調度溝通，在電網調度負荷指令下，根據風電場設備特性，確定風機運行數量和風電場送出負荷，達到增發、搶發的目的；場用電管理優化。整合系統各類運行信息，結合電氣運行方式特點，有針對性的根據年度、季度、月度不同工況，開展電氣設備優化工作，不斷提高電能傳輸效率，降低場用電率；技術的交流與傳承。風電場一般地處偏遠地區，人員流動大，要確保專業技術的交流與傳承，保障運維水平。

綜上，任何提升思路的落地應用都必須經過科學嚴謹的驗證，才能最終為風場創造最大價值。