論風力發電機組增功提效技術方法

國家電投集團內蒙古新能源有限公司 侯玉林 李敬陽 呂玲瓏 薛志強

風力發電依靠風力發電機將風能轉換為電能。當風力發電機的風輪正對風向時，風輪得到風能的推力最大。為保證風輪隨時都迎著風向，在風力發電機中設有偏航系統。當裝在機艙頂部的風向標測得風輪不正對風向時，控制系統會發出偏航指令，通過偏航系統使機艙和風輪繞塔架的垂直軸轉動，以達到對準風向的目的。風輪轉速和發電機的輸出功率是隨風速增大而提高的，風速太大會使風輪轉速過快和發電機超負荷運行，這些均會使風力發電機發生運行事故。為保證風力發電機的安全穩定運行，風力發電機中都設有限速安全裝置以調節風輪轉速，使之在一定風速范圍內保持基本不變，以便風力發電機能在不同風況下穩定運行。

1 風力發電機組氣動優化

1.1 葉片安裝渦流發生器

渦流發生器是飛機零部件，廣泛應用于飛機機身和飛機機翼，隨著大型風力發電機組技術的不斷革新，渦流發生器也被應用于風力發電機組葉片表面。風力發電機組風輪由葉片和輪轂組成，葉片的氣動性能直接影響到風輪吸收風能的效率，最終影響機組發電量。沒有渦流發生器的葉片表面的氣流是平滑通過葉片的，葉片運行在大攻角時，葉片表面氣體動能不足以維持附著流狀態，進而發生邊界層分離，葉片升力大幅下降、阻力大幅增加。隨著攻角的增大分離現象更為明顯，極大影響葉片吸收風能的能力，使風力發電機組發電能力下降。

風力發電機組葉片安裝渦流發生器之后，氣流通過渦流發生器后會形成相互纏繞的渦流，這種渦流可讓氣流緊貼于葉片上，有效抑制或延遲氣流分離，提高葉片升力、降低阻力，風輪可獲得更大的推力。即使槳葉角度進一步加大，也可有效防止氣流形成紊流，防止失速現象的發生。因此，葉片增加渦流發生器可有效提升風力發電機組發電量。

1.2 葉片安裝襟翼Flap

襟翼被廣泛應用于飛機機翼。襟翼片能夠增加機翼的面積、改變機翼彎度，同時還會形成一條或幾條縫隙，增加飛機機翼面積可提高升力。形成的縫隙可使下表面的氣流經縫隙流向上表面，使上表面的氣流速度提高，可較大范圍保持層流、也可使升力增加，并能減少失速現象的發生。隨著風力發電機組制造技術的不斷更新迭代，該技術可應用于風力發電機組葉片上，安裝于葉片后緣方向外部區域，增大葉片與風的接觸面積，使葉片的氣動特性得到優化，有效的增大了風力發電機組葉片的升阻比，提高風輪捕獲風能的能力，達到風力發電機組發電量提升的目的。

綜上，通過安裝渦流發生器和襟翼可提高風力發電機組葉片的升力，進一步優化風力發電機組的氣動性能，達到增功提效發電量增收的目的。針對行業內不同風力發電機組機型及風電場每臺機組實際風況，上述兩個方法需對風力發電機的硬件安裝分別進行專業定制化設計。

2 風力發電機組控制軟件優化

2.1 偏航對風矯正技術

風力發電機組機風向標的安裝工藝及標定的不準確、長期運行后部件老化或螺絲松動、以及自身和周邊機組尾流的影響，都會使得風力發電機組偏航系統實際獲取的偏航對風角度與真實值之間存在誤差，從而導致偏航系統計算的偏航對風角度偏差不準確。由此給風力發電機組帶來發電量上的損失以及不平衡載荷的增加。

根據風能公式W=0.5ρV3S（式中：W為風能，單位為kg·m2·s-3；ρ為空氣密度，單位kg/m3；V為風速，單位m/s；S為截面面積，單位m2），風速與風能呈立方關系，風向誤差損失的發電量介于風能余弦平方與余弦立方分量之間。大體數值為：偏差誤差5°發電量損失1%、偏航誤差10°發電量損失4%、偏差誤差15°發電量損失8%。偏航對風矯正技術采用場控機器學習算法和風力發電機組程序優化偏航對風補償相結合的方法，可通過風力發電機組運行的歷史數據快速確定機組當前的最佳對風角度，提高機組的對風精度，增強風輪的捕風能力。

偏航對風矯正技術策略分為兩種類型：一為基于主控系統集成在PLC控制器中的偏航對風補償校正算法。此方法存在校正時間長、發電量提升百分比低、數據處理能力有限等問題；二為場控偏航校正技術策略，由場控服務器計算偏航校正參數，采用機器學習算法，具有數據處理能力強、歷史數據可用范圍廣、發電量提升比例相對高等優點。通常二者相結合在實際效能提升應用中較為廣泛。

2.2 場群尾流控制

風經過旋轉的風輪之后會產生尾流，這種尾流會影響下游風力發電機組的正常發電量。在做可行性研究分析報告時，通常尾流影響會考慮5%的發電量折減。場群尾流控制技術是通過對上游風力發電機組進行適當偏航改變，所產生的尾流方向可降低尾流對下游風力發電機組產生的影響。以全場風力發電機組發電量最優為設計目標，適當降低上游風力發電機組發電量來提升下游機組發電量，從而達到全場風力發電機組發電量提升的目標。

2.3 激光雷達測風

機艙式激光雷達可測得風輪前方200米風速，因此可根據風速來流情況提前調整機組狀態。如，檢測到風輪前方有一個較大陣風情況下，風力發電機組可提前收槳防止超速。檢測到風輪前方有一個較大風速塌陷，可提前開槳，防止轉速下降過低。通過上述提前變槳動作，風力發電機組的功率輸出可變得更加平穩，降低載荷的同時發電量也可得到相應的提升。通過對比開啟、關閉激光雷達測風系統前后風力發電機組功率的輸出，明顯可見開啟激光雷達后功率輸出更加平穩。另外，通過激光雷達測得的風向進行偏航校正也可進一步提升風力發電機組發電量。

2.4 切出風速優化技術

切出風速是指風力發電機組并網發電的最大風速，超過此風速機組將切出電網。風力發電機組切出風速優化是指在保證風力發電機組安全的情況下，通過某些控制策略將機組的切出風速進一步提高，以減少頻繁高風速機組切出造成的發電量損失。該優化方式適合高風速較多的風力發電廠。

2.5 最優增益自尋優技術

由于風力發電機組長時間運行以及外部環境條件的變化，會使風力發電機組的實際輸出功率相對于最大功率曲線發生偏移，風力發電機組在MPPT段(最大功率點追蹤)使用最優增益進行扭矩控制，期望實現風力發電機組保持最優Cp運行，對于理想的穩態的風況，可實現上述控制目標。而對于風力發電廠真實的湍流風況，受季節性環境溫度變化、空氣密度等因素影響，風力發電機組總是運行在最優Cp左右附近區域，最優Cp在不同環境溫度下對應最優增益不同。為實現不同風力發電機組根據環境變化自適應調整最優增益，可通過最優增益自尋優技術尋找適用于現場實際的最優增益值，動態調整最佳轉速時的比例常數、優化風力發電機組轉速、轉矩控制，達到機組發電量提升目的。

2.6 葉尖速比自尋優技術

葉尖速度與風速的比值為葉尖速比，這個參數是風力發電機組最關鍵的參數，葉尖速比不但影響葉片自身的特性，還會影響風力發電機組的運行曲線，從而影響發電量。現代兆瓦級水平軸風力發電機組，基本都是采用變速變槳控制方案。在額定風速以下的大部分風速段，通過控制風力發電機的扭矩和轉速關系調節風輪轉速，使風輪轉速與風速成正比，使風力發電機組運行在設計的葉尖速比下，從而最大程度地捕獲風能。葉尖速比自尋優技術策略的目標，是根據風力發電機組運行數據自動識別當前環境下的最優葉尖速比，讓機組始終保持在最佳運行工況之下。

2.7 智能偏航控制技術

智能偏航控制技術是通過獲取當前風力發電機組偏航對風偏差和當前功率輸入，計算偏航對風偏差矯正后、風力發電機組獲得的額外發電量提升和在此偏航過程中損耗發電量的關系，制定不同的偏航控制策略，以確保風力發電機組在低風速盡可能少偏航、以減少機組自身損耗；在過渡段偏航系統盡可能敏感，使機組盡可能對風，提升機組出力；在高風速段，風力發電機組降低對風向偏差的敏感性，減少機組偏航頻次，降低在大湍流工況下由于頻繁偏航可能帶來的機組載荷的增加，以保證風力發電機組的安全可靠性。同時，針對風力發電機組偏航解纜，智能偏航控制技術通過采集風力發電機組機艙的位置數據和當前風速數據，設定小風解纜、強制解纜和額定風速段不解纜的控制策略，以減少大風解纜造成的發電量損失。

2.8 功率精細化控制技術

由于部分風力發電現場的氣候和環境比較惡略，葉片氣動特性可能受到環境因素影響變化明顯，風能與電能間轉換平衡度也會存在變化，從而導致風力發電機組未能達到最佳的風能利用效率。為獲得最佳的風能利用效率，提升風能與電能轉換平衡度，采用功率精細化控制技術，通過自動學習機組運行數據建立自身動態損耗模型，在不同工況下實現功率的最優控制，使風力發電機組達到增功提效的目的，發電廠實現電量增產。

2.9 最優功率控制技術

在保證風力發電機組變流器、發電機及斷路器有足夠安全裕量的情況下，根據機組運行狀態自適應的調整額定功率以實現最優功率控制。同時，在場控端增加功率PI閉環控制功能，通過對轉矩的校正與機組運行數據、環境參數形成閉環控制，可有效避免因外部環境、電氣損耗造成的上網功率不穩定。最優功率控制對額定風速附近及以上風速的功率有提升效果，具體提升量取決于湍流度和風頻。

綜上，在開展風力發電機組發電效能提升工作前，應系統的對風電場、風力發電機組發電效能進行綜合評估，明確存在偏差或存在提升空間和方向，然后針對性的采取相關技術措施改善風力發電機組發電效能。風力發電機組氣動硬件優化和控制軟件優化應根據風電場每臺機組的實際風況、發電量、對風角度等關鍵數據綜合分析結果，定制化采用上述增功提效方法，解決因風資源、環境、風電場項目建設等因素導致風力發電廠發電量下降問題，增加風力發電廠生產經營效益。