風力發電機組發電性能分析與優化

唐應才

（廣西龍源風力發電有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

近年來，隨著人們能源需求量的逐漸增加，風力發電具有清潔、環保效益好、可再生、裝機規模靈活、運行維護成本低等優點，受到廣泛應用，風力發電技術也得以快速發展[1-2]。基于此，文章對我國風力發電發展現狀進行了分析，并從風力發電機組容量大型化、增加海上風力發電所占比重、風力發電向智能化控制轉變等方面，對風力發電行業發展趨勢進行了研究。

1 風力發電機組性能概述

風力發電技術是一種清潔、環保的可再生能源，國家對該項技術給予大力支持，已經發展成為技術最成熟、前景最廣闊的技術手段。其中分布式電網中使用的小型風力機具有結構簡單、安裝靈活的有點，在實際發展中得到廣泛應用。風力機中風輪和發電機是決定風力機性能的兩個最主要的部件，從目前的發展水平來看，風力渦輪機的空氣動力學優化和發電機的效率有了很大的發展，但是由于兩者之間的電磁匹配特性之間存在問題，導致風力機的發電效率較低。對獨立風輪空氣動力特性或獨立發電機性能的研究是目前研究熱點的方向，而對風輪和發電機之間對應關系的研究有許多不足之處，更加強調了瑞士的控制策略趙潤提出并驗證了最大功率跟蹤計劃的有效性，該方案以最佳電磁轉矩給定作為理論依據。在此方案的基礎上，TRIPATHI等提出了最優特性曲線法、峰值速度比控制法、最優轉矩控制法和最大功率控制法，如擾動/提升觀測算法。HEYDARI 等人將這兩種方法的優缺點與35kW 風力發電系統進行了比較。最后，將損耗轉矩的情況考慮在內，對兩種方法取長補短，計算損耗轉矩與電機角速度的關系，提出更為科學合理的最大風能控制方法用于給定發電機最佳電流。

風功率曲線的變化趨勢取決于風力發電機組功率和風速，反應了不同的風速對發電機組產生電能能力的影響，在評價風力發電機組發電性能優劣及風功率預測中發揮著重要作用。而由于棄風限電、通信設備故障、極端天氣、葉片污染和風速傳感器失靈等原因，實際測量數據中存在大量不符合風力發電機組正常輸出特性的異常點，異常數據的識別和剔除是獲得風功率曲線的重要步驟，IEC61400-12-1 中關于異常數據剔除做出了明確規定：用于分析的數據均應該是在風力發電機組正常運轉情況下采集的，為了確保數據沒有損壞，應當排除以下情況中的數據集：①除風速外的外部條件超出了風力發電機組的工作范圍；②由于風力發電機組故障狀態導致的無法運轉；③風力發電機組被手動關機或者處于測試或維修操作狀態；④測試設備故障或者性能退化（例如，葉片結冰和污染等）；⑤風向超出了規定的測量扇區。國內外研究學者對風功率異常數據剔除、風功率曲線建模做了大量研究，風功率曲線建模的精度不斷提升。而風力發電機組的運行數據中蘊含更多信息，除了需要將正常數據與異常數據區分開外，還需要將異常數據產生的原因進一步識別，通過對異常數據的分析來判斷發電機組的運行狀態。風力發電機組運行狀態的識別對風電檢測工作具有重要的意義，同時，機組運行狀態識別結果可以用于排除IEC61400-12-1 中規定的5 種數據集，獲取風功率曲線。

2 我國風力發電發展現狀

風力發電的工作原理：風動能→機械動能→電能，屬于再生能源開發的范疇。簡單來說，就是在風的作用下，帶動風輪轉動，從而將風能轉換為動能，在發電機的作用下，再把動能變為電能輸出到電網。該過程需要空氣動力、智能控制、機械、電機多個相關的專業技術的支持。由于該過程利用風能，沒有各種燃料的燃燒，因此風力發電是一種綠色、環保、可持續的再生能源。常規的風力發電系統主要包括風輪、傳動結構、控制裝置、發電機、支撐結構等。從發電機組系統結構細分，又可分為恒速及感應發電、變速恒頻雙饋式發電、變速同步發電三種類型，這三種類型在不同領域均發揮重要作用。在傳統化石能源大量使用導致全球氣溫變暖的背景下，風力發電技術的開發與應用受到各國重視，資金投入逐年增加，很大程度上也促使著風力發電技術的提高和發展。但是，當前風力發電技術還存在一定的問題，需要予以關注。

2.1 機組單機容量方面

要使風力發電機組的單機容量有所提高，我們可以從降低生產成本和提高發電效率兩方面入手。風力發電技術的發展趨勢是提高效率和降低成本，需要不斷增加風力發電機組的單機容量。就目前風力發電機組單機容量方面來看，已經從最初的600kW 提升至10MW。然而，根據風力發電機組設計總體狀況，我國風力發電機組的單機容量還沒有達到滿足荷運轉要求，其理論知識與實踐發展之間還存在較大差距。

2.2 機組設備控制方面

機組設備控制是保證風力發電機組高效運行的前提。但是，目前風力發電機組設備安裝地點優先考慮的是風力資源，經常面臨一些比較惡劣的環境，如邊遠山區、無人荒漠、海上等地區，風力大小很容易受到外界環境因素的影響。正是由于風力的這種不穩定性，風力發電機組設備往往需要遠程監控，需要風力發電機組設備具有可靠、穩定的自控系統。因此，應當進一步對風力發電機組設備的控制系統進行深入研究，面向電子化、自動化、智能化方向，進行技術開發。從當前技術手段來看，定槳距型風力機組和變速恒頻風力發電機是使用范圍最大的兩種風力發電機組，兩者相比，定槳距型風力機組具有性能可靠控制簡單的優點，但是其轉速容易受到電機輸出功率的影響，輸出電壓受風機轉速影響明顯，關鍵部件容易磨損，就會造成效率低下。相對于定槳距型風力機組來說，變速恒頻風力發電機組有著更為穩定的輸出功率，性能更為優良，受到風葉轉速影響較低，自動運行過程較為穩定，是近年來研發的一種新型風力發電機組設備。

2.3 機組安全性能方面

風力發電是把風力資源轉變為電力資源的技術，與傳統能源利用相比，其應用時間相對較短。在傳輸、并網技術、自動控制等專業技術研究上的上升空間較大，并且風力發電在安全性能方面還存在一些問題。例如，風力發電管理不規范、裝機后運行不穩、機組停運等。因此，應當針對發電機組的安全運行進行研究，消除存在的各種安全隱患，提高風力發電機組運行的安全性，確保風力發電的安全、穩定。

3 風力發電機發電能力評估

風力發電機的等效風能利用小時數是衡量項目發電性能的重要指標，它就是風力發電機年發電量與容量的比值。對于單臺機組，它是單臺風機年發電量與機組容量的比值。所以可以從分析單臺風機的等效風能利用小時數入手。統計單臺機組的發電量，將單臺機組發電量加上限電、故障、檢修等損失電量折算為等效利用小時數，對風電場同型號機組的等效利用小時數進行排序，并將實際風速與等效利用小時數進行對照分析，可以篩選出相同風速條件下等效利用小時數低于平均值的機組。風機功率曲線是風力發電機組發電能力的最直接體現。所以用功率曲線可以有效地分析風機的健康水平和發電能力。由于受到機組尾流、空氣密度、湍流強度等環境因素的影響，風力發電機組在運行的過程中，實際運行功率與設計功率可能存在不吻合的地方，這就需要與標準功率曲線作為依據，分析單臺風機實際功率曲線的異同點，有直觀地反映出風機發電能力的優劣。我們可以取單臺風力發電機一年10min 風速和有功功率，結合機組實際功率曲線，推算單臺機組的年理論發電量；利用10min 平均風速和合同保證的功率曲線，推算單臺機組的實測風速年保證發電量，并繪制分布圖。計算實際運行功率曲線的發電量與保證功率曲線的發電量，通過對兩者數據進行比值分析功率曲線符合度。對機組功率曲線符合度進行排序分析，可以篩選出功率曲線符合度異常機組。

4 機組發電性能排查

4.1 機組軟件分析排查

風力發電機組SCADA 是風力發電機組安全穩定運行的監控中樞，它實時記錄著風力發電機組的各方面運行數據，隨著技術的進步，它記錄的數據越來越全面，在運行分析中的作用也越來越大。充分利用風機SCADA 平臺，可以非常直觀地發現風力發電機組在發電能力方面的異常。首先，在同一風場，對比同型號機組在相同工況下功率曲線散點，可以發現機組在相同功率曲線模型下，不同風機的功率曲線散點不同，如圖1 所示。可以刪選出曲線偏差較大的機組，進行專門的分析。以某風電場1#、2#風機為例，兩臺風機在相同工況和功率曲線模型下，2#風機功率曲線明顯靠下，發電能力低于1#風機。

圖1 不同風機的功率曲線散點

其次，風力發電機組在運行過程中的發電功率與轉速轉矩有著直接的關系，它遵循P=Tn/9550 的關系；式中，P 為功率，kWn；n 為轉速，r/min；T 為轉矩，nm；9550 是計算系數。所以分析風力發電機運行過程中的轉速、轉矩變化也可以發現運行異常的機組。仍然以某風電場1#、2#風機為列，可以發現機組在同等條件下，轉矩的明顯不同，如圖2 所示。

圖2 同等條件下轉轉矩變化結果

風力發電機通過測風裝置采集風速與風向，通過偏航系統，調整對風角度，使葉輪能正對來風方向，采集更多的能量。所以，定期對風力發電機組對風偏差進行排查，并及時分析產生偏差的原因，對偏差進行調整，能夠有效改善機組的發電能力，提升風力發電機組的發電量。借助風機SCADA 平臺，排查機組風速和偏航對風角度散點圖，可以分析風力發電機的偏航控制策略是否存在異常。

4.2 機組硬件分析排查

在風力發電機機艙頂部安裝風速風速計，跟蹤風速和風向的變化，通過偏航系統調節風向角，使風力發電機處于最佳迎風角，當風速達到切入風速時，變槳驅動裝置帶動變槳軸承旋轉，使葉片保持最佳迎風狀態，從而將風能轉化為電能。因此，對于發電效率異常的機組，首先要檢查風向標的零刻度是否在機艙正前方。風速在10m/s 以上時，將風向標轉到90°、180°、270°、360°，對比機組SCADA 顯示數據與機艙位置是否一致，一致性差的測風裝置更換。其次，檢查葉片安裝角度和零位角度。當風機的SCDAD 顯示葉片位置為零時，檢查三個葉片的零位標記與輪轂上的零位標記是否有偏差，如果有偏差，也會影響風機的發電量。

5 風力發電機組發電性能提升

5.1 大型化風力發電機組容量

在相同規模的風力電場下，風力發電機組的發電效率、運行成本在很大程度上取決于機組的功率和單機容量，風力發電技術的不斷優化改進為行業的發展帶來了巨大的經濟效益，提高發電效率，不斷研究大型化的風電機組，以提高單機容量，提升風能的轉化效率。同時，大型化、大容量的風力發電機組，還能在利用同等土地范圍內，有效捕捉更多的風能，從而節約土地資源。因此，我國風力發電行業應在不斷進行技術創新和改進的基礎上，加強對風力發電技術的研究，呈現出面向機組大型化、大容量方向發展的趨勢。

5.2 向智能化控制轉變以

5G、互聯網、數字化、信息化為代表的智能化技術，是制造業發展的未來方向。在此背景下，我國風力發電行業發展逐漸向智能化控制方向轉變。無論是在風力發電機組設備運行控制、管理，還是技術開發，機組設計、制造、生產上，都需與智能化進行融合，積極引入大數據分析、5G、人工智能等技術。利用智能化控制管理，提高風力發電的運維質量和控制精度，提升風力發電運行的自動化水平。用智能化技術驅動風力發電技術創新，提高風力發電的運行效率，并節約運營成本。同時，統籌管理發電資源和電網負荷，實現風力發電與其他發電技術的優勢互補，全面提升風力發電的技術水平。

5.3 硬件優化

風力發電機組中最關鍵的組成部分就是葉片，葉片配有獨立的變槳系統。在機組運行的過程中，風機變槳驅動葉片角度的調整，以此達到葉片變槳的目的，從而有效的對機組進行安全保護和功率控制。要提高風機的發電能力，需要對風機葉片的氣動進一步優化設計，降低機組載荷，這對空氣動力學的研究應用提出了更高的要求。風機在運行過程中與飛機的機翼有相似之處，都是通過風吹過葉片表面，在葉片正反兩面行程壓力差，從而產生風輪旋轉的動力，既然風輪轉動的動力來源于機翼有相似之處，我們就可以對風機葉片進行改造，在風機葉片上安裝類似渦流發生器的裝置，通過防止氣流過早分離，加速附頂層內氣流流動，從而產生更大的動力。基于葉片的設計和分離區域的外形，通過延遲氣流從葉片分離，可以提升葉片升力，增加發電量。當然，根據風力發電機的結構和承載能力，安裝葉尖或葉根延長段，適當的延長葉片長度也可以很明顯地提高風機的發電能力。但是，葉片的延遲需要經過嚴格的載荷計算，并經過長時間的安全驗證才能實施，并且由于屬于后期改造，費用也會相對較高。所以對風機發電能力進行硬件的優化除了考慮方案的可行性外，還要考慮風機運行的綜合成本。

5.4 運行轉矩優化

發電機和變頻器之間增加一組轉換柜，對發電系統的拓撲電路進行轉換，主控增加相應的運行控制和邏輯。根據風力情況，智能改變電路拓撲，使風機始終處于最佳發電狀態。根據變頻器的主控制字，改變相應的控制算法和運行策略，提高風力發電機在低風速下的能量捕獲效率，降低整機機械傳動鏈的摩擦損耗和發電機與變頻器之間的電磁損耗，從而間接提高風力發電機的發電能力。

5.5 捕風能力優化

測風裝置通過自適應控制，持續并自動校準偏航上風向，為每臺風機自動更新傳遞函數。利用風向的自然變化根據發電量來感知最佳偏航位置，適當調整偏航對風偏差設定值，提高對風準確度。根據IEC 標準，多數風機的切出風速都設定在了20～25m/s，如果根據風力發電機的運行工況與結構特征，將風機的切出風速適當提高，則可以捕獲更多的風能，明顯提升機組發電量，但是，需要對風電機組進行嚴格的疲勞和極限載荷計算，通過改變葉片變槳的角度來達到控制機組載荷能力的目的，從而使機組能夠安全運轉。

6 結語

對風力發電機的發電能力進行系統分析，從硬件和軟件方面尋找提升風力發電機組發電能力的方法，對風力發電機組進行科學的優化升級，以提升機組的發電能力。但是，風電機組發電性能優化需要有嚴格的機組安全性校核分析，綜合分析機組發電能力優化的安全性、有效性和經濟性。