提高風電機組低風速段發電能力的研究

摘 要：在現貨市場下，要想提高實時市場的收入，必須提高風電場的發電量，尤其在小風時期，現貨實時市場的價格較高，如果能提升風電機組低風速段的發電能力，就會有效提高電價。本文討論環境溫度對空氣密度的影響，提出根據環境溫度動態調整風電機組切入風速和偏航控制風速閾值設定值，在偏航系統部件壽命和電量損耗情況下優化偏航系統控制邏輯，制作專用工裝進行偏航系統風向標校零，可保證風電機組在低風速情況下充分發揮發電能力，提高高電價上網電量，以期取得較好收益。

關鍵詞：現貨交易；風電機組；低風速；發電能力；環境溫度

中圖分類號：TM 61 " " 文獻標志碼：A

在現貨市場下，發電企業收益來源主要由中長期合約收益（月度交易、旬度交易和日滾動交易）和現貨市場收益構成（日前市場收益和實時市場收益）。在這3種收益中，中長期合約收益和日前申報收益可以通過合理地營銷策略進行優化[1]，唯獨實時收入由實際發電量和實時市場價格來決定，不能通過人為控制來提升。要想提高實時市場收入，必須提高自身發電量，尤其在小風時期，由于全省風電實際出力較小，實時現貨市場價格會因火電的競價空間提升而升高，如果再遇光伏出力受限和火電機組自身發電性能不良的情況，現貨實時市場的價格就會非常高。數據表明，如果能在低風速階段提升機組的發電能力，保證機組在低風速下的發電量，就會提高收益。提高風電機組低風速發電能力主要可從以下4個方面推進。

1 合理設定風電機組切入風速

風電機組切入風速是指風電機組開始并網發電的最低風速，聯合動力1.5MW機組切入風速為3m/s。風電機組是否啟機并網的根據是平均風速是否達到3m/s，但是風所蘊含的能量不僅與風速相關，當環境溫度差距較大時，風能差距也較大，風電機組發電功率差距也較大。

1.1 環境溫度與發電功率的關系

空氣流動具有的動能為E=ρsv3[2]，其中ρ為空氣密度；s為氣流截面積；v為風速。由該公式可知，風能與空氣密度成正比，空氣密度越大，風能越大。另外，根據葉素-動量理論，作用在風輪轉動平面dr圓環的扭矩為dM=ρsv2 0Ctrdr[2]，其中B為葉片數；ρ為空氣密度；c為葉素剖面弦長；v0為氣流合成速度；Ct為切向力系數；r為當地半徑。由該公式可知，作用在風輪上的轉矩與空氣密度成正比，空氣密度越大，作用在風輪上的轉矩也越高，相同風輪轉速下對應的風輪功率也會越大。

而在不同溫度條件下，空氣密度差距較大，如-20℃時干空氣密度為1.396kg/m3，30℃時干空氣密度為1.165kg/m3，

-20℃時干空氣密度為30℃時干空氣密度的1.2倍，而且北方地區冬夏溫差更大，冬季氣溫甚至可低至-30℃，空氣密度更大，風能更大，風電機組發電功率也相對較大。

根據理想氣體狀態方程（不考慮濕度影響時）pV=nRT[3]，其中p為壓強；V為氣體體積；n為氣體的物質的量；R為摩爾氣體常數；T為溫度（K），計算可得-30℃時干空氣密度為1.452kg/m3，約為30℃時干空氣密度的1.25倍，可見不同環境溫度下風電機組發電功率相差較大。

1.2 風電機組切入風速設定

由于冬季環境溫度較低，空氣密度較大，在臨近風電機組切入風速的情況下，風電機組實際已滿足并網發電條件，但是風電機組只檢測到風速小于切入風速，未啟機并網，會產生電量損失。因此可將環境溫度列入風電機組啟機的條件，隨著環境溫度降低，風電機組對應切入風速也會降低[4]。

根據風電機組設計要求標準，風電機組正常環境條件下空氣密度為1.225kg/m3（對應空氣溫度約為15℃），如某類型風電機組在環境溫度為15℃條件下的對應切入風速為3m/s，根據風能公式E=1/2ρsv3，可計算該風電機組啟機時對應的風能。在保證風電機組啟機時風能相同的情況下，參照各環境溫度下的空氣密度表，計算各環境溫度應設定的切入風速，見表1。

1.3 程序控制邏輯升級

通過升級風電機組主控程序，可實時測量環境溫度動態控制風電機組啟機風速[5]，環境溫度測量可使用原風電機組測量的環境溫度值。不同環境溫度條件下風電機組切入風速設定值見表2。

根據環境溫度動態調整風電機組切入風速，可保證風電機組在各環境溫度下充分發揮發電能力，提高高電價上網電量，還可避免由高溫小風天氣時風電機組并網耗電量大于發電量造成的損失。

2 偏航零位校準

風電機組裝有風向標，可實時測量來流風向，用于風電機組控制系統計算風電機組對風偏差，并進行偏航對風，以便更好地捕捉風能，提高風電機組發電量。如果風向標初始安裝角度與機艙走向偏差較大，風電機組始終與來流風向存在角度偏差，就會長期影響風電機組發電性能[6]，損失發電量巨大，因此需要定期排查風向標安裝方向是否正確，發現異常即及時校正風向標。

風電機組一般配置機械式風向標或超聲波風向標，安裝風向標時必須保證風向標N-S標記線與機艙走向平行且N點指向機艙尾部。目前，現場人員通常通過目測來大致調整風向標N-S標記線與風電機組機艙走向平行并校準風向標，由于人工目測安裝存在較大偏差，會導致風電機組始終無法正對風發電，從而長期影響風電機組的功率輸出，因此需要設計并使用便捷高效的風向標校準裝置進行風向標校準安裝。

本文分析了風電機組風向標安裝的氣象架結構、機艙罩機構、風電機組維護經驗以及當前先進技術，初步研究總結出2種風電機組風向標校準方案，包括以氣象架為基準的機械校準和以機艙罩為基準的激光校準。

2.1 以氣象架為基準的機械校準

由于風向標安裝于風電機組機艙頂部氣象架上，如果測量判斷該類氣象架基本垂直于機艙走向且氣象架橫擔端面平齊，氣象架橫擔即可作為風向標的校準基準，而且通過目測來校準風向標N-S標記線本質上均以氣象架橫擔為基準。

2.1.1 機械校準工裝制作

機械校準工裝結構如圖1所示，其中要求校準工裝各面均為平面，各角均為直角，各連接面均對齊，以保證工裝測量的準確度。

2.1.2 機械校準工裝使用

超聲波式風向標：超聲波式風向標頂部印有一條N-S標記線，將機械校準工裝平面貼緊氣象架橫擔端面，調整超聲波式風向標，使其N-S標記線與對應工裝端面重合后，擰緊超聲波式風向標底座的鎖緊螺母即可。具體校準方法如圖2所示。

機械式風向標：由于機械式風向標N點、S點標記在風向標側面，校正較困難，因此將風向標調節至180°方向（調試軟件內顯示值為180°）后將尾翼固定，再使用工裝平面貼緊氣象架橫擔端面，整體調整機械式風向標，使風向標尾部與對應工裝端面齊平，擰緊機械式風向標底座的鎖緊螺母即可。具體校準方法如圖3所示。

2.2 以機艙罩為基準的激光校準

部分風電機組氣象架與機艙走向不垂直，無法以氣象架為基準校準風向標。由于機艙罩為左、右對稱形狀，并且頂部基本有明顯標記，可確定出機艙中心線，因此機艙罩中心線可作為校正風向標的基準。

本文方案采用工程用戶外高精度強光激光儀。該激光儀具有自動安平功能，傾斜超3°時報警，傾斜3°以內時自動調節至水平，所發射激光嚴格豎直向下且可發射3個相互垂直的激光面。

激光儀校準方法示意圖如圖4所示?？烧{節支架將激光儀安裝于氣象架頂部，手動調節支架，使激光儀保持水平（激光儀不報警即可自動安平）并且使激光面3（平行于機艙走向且垂直于機艙頂部）經過機艙罩中心線，此時激光面1（平行于機艙頂部）與機艙頂部水平，并且激光面2（垂直于機艙走向且垂直于機艙頂部）垂直于機艙走向，因此激光面2可作為風向標校準的基準。

將長直角尺一邊與激光面2形成的激光線對齊，直角尺另一邊指向即為機艙走向。手動調節風向標，使N-S標記線或機械式風向標尾翼與直角尺另一邊對齊，此時風向標指向即為機艙走向，固定風向標底座即可。直角尺測量方法示意如圖5所示。

3 優化偏航控制邏輯

聯合動力1.5MW機組偏航控制邏輯如下所示。1）設定高風速閾值7.5m/s，分為高風速偏航和低風速偏航，不同的風速條件下偏航的動作方式不同。2）高風速下自動偏航。60s平均風速≥7.5m/s，觸發偏航程序的條件有以下2個。①高風速下一級偏航動作條件。偏航對風60s平均偏差＞8°，延時160s，風電機組偏航。②高風速下二級偏航動作條件。偏航對風60s平均偏差＞15°，延時20s，風電機組偏航。3）低風速下自動偏航。60s平均風速＜7.5m/s，觸發偏航程序的條件有以下2個。①低風速下一級偏航動作條件。偏航對風60s平均偏差＞10°，延時160s，風電機組偏航。②低風速下二級偏航動作條件。偏航對風60s平均偏差＞18°，延時25s，風電機組偏航。

現針對風電機組低風速發電能力，需要對高風速閾值、低風速下偏航角度偏差以及偏航延時設定值進行優化，主要從以下2個方面進行評估。

3.1 高風速閾值設定

在不同環境溫度條件下，相同風速的空氣動能不同，因此偏航控制中高風速閾值應根據環境溫度進行動態調整。如聯合動力1.5MW機組偏航控制高風速閾值設定值為7.5m/s，計算出的不同環境溫度下高風速閾值見表3。

通過升級風電機組主控程序，可實現實時測量環境溫度動態控制風電機組偏航控制中高風速閾值。不同環境溫度范圍下風電機組偏航控制高風速閾值設定值見表4。

3.2 優化偏航控制邏輯

本文對風電機組偏航控制中偏航角度偏差、偏航延時、高風速閾值設定值進行了優化。首先，風速閾值設定值可分級設定，分為高風速閾值、中風速閾值和低風速閾值，如設定值分別取高風速閾值（9m/s）、中風速閾值（6m/s）、低風速閾值（4m/s），在不同風速條件下，采取不同的偏航動作方式。其次，各風速閾值下自動偏航控制可由原兩級控制邏輯優化為多級控制邏輯，例如低風速閾值下自動偏航控制條件如下所示。1）低風速下一級偏航動作條件。偏航對風60s平均偏差＞10°，延時160s，風電機組偏航。2）低風速下二級偏航動作條件。偏航對風60s平均偏差＞13°，延時120s，風電機組偏航。3）低風速下三級偏航動作條件。偏航對風60s平均偏差＞15°，延時80s，風電機組偏航。4）低風速下四級偏航動作條件。偏航對風60s平均偏差＞18°，延時25s，風電機組偏航。

將偏航角度偏差、偏航延時和高風速閾值設定值進行優化，以達到精細化控制的目的，提高風電機組低風速發電能力。需要注意的是，將偏航角度偏差、偏航延時設定值調小后，風電機組將會更頻繁地進行偏航對風，發電量將小幅增加。由于偏航系統動作頻繁，增加了偏航動作電量損耗，同時縮短了偏航電氣回路、偏航大部件壽命，因此需要結合偏航系統壽命影響情況和電量損耗情況進行評估和分析。

4 變槳零位校準

為了使風電機組能安全穩定、最大效率地吸收風能，需要定期校正葉片槳距角。由于槳葉標尺一般在葉根外部，空間狹小，人員觀察校正零位操作很不方便，因此通常在外部校正零位后，在葉根內進行統一標記，方便每年進行葉片校零檢查維護工作。

5 結語

根據環境溫度動態調整風電機組切入風速和偏航控制風速閾值設定值，評估偏航系統部件壽命，在電量損耗情況下優化偏航系統控制邏輯，并做好偏航系統風向標校零和變槳槳葉校零維護工作等措施，可使風電機組在低風速情況下充分發揮發電能力，提高高電價上網電量，取得較好收益。

參考文獻

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