風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化及其評(píng)估方法探討

1、近年來，隨著風(fēng)電場(chǎng)行業(yè)的大發(fā)展，在運(yùn)機(jī)組數(shù)量急劇增長(zhǎng)，如何提高在運(yùn)機(jī)組的發(fā)電量成為了風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商重點(diǎn)關(guān)注的問題。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量與電網(wǎng)接納能力、風(fēng)資源、機(jī)組可靠性、機(jī)組發(fā)電性能及相關(guān)設(shè)備損耗等息息相關(guān)，其中提高機(jī)組的發(fā)電性能和可靠性，同時(shí)降低風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備損耗是風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商和機(jī)組廠家關(guān)注和優(yōu)化的主要方向。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化多集中在已出保的風(fēng)電場(chǎng)，多為軟件或硬件或兩者相結(jié)合的方式，然而提到優(yōu)化就涉及到優(yōu)化技改費(fèi)用，并涉及到優(yōu)化效果的評(píng)估，評(píng)估結(jié)果將直接作為決策的依據(jù)及共享或支付優(yōu)化收益的憑證。目前，國(guó)際及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上尚未對(duì)優(yōu)化評(píng)估方法形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，各大運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備廠家及

2、第三方公司都在不斷發(fā)展和完善相關(guān)的優(yōu)化評(píng)估方法。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)常見的優(yōu)化方法進(jìn)行總結(jié)分類，并給出了一般性的評(píng)估流程和方法，重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)某機(jī)組主控程序改造效果的評(píng)估方法及效果，對(duì)風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。1風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行優(yōu)化方法總結(jié)目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能優(yōu)化主要分為四個(gè)類別：改善風(fēng)資源的優(yōu)化；提高機(jī)組從風(fēng)資源中吸收能量的能力的優(yōu)化（機(jī)組性能優(yōu)化）；延長(zhǎng)機(jī)組發(fā)電時(shí)間的優(yōu)化（機(jī)組可靠性優(yōu)化）；降低風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)設(shè)備損耗的優(yōu)化。1.1改善風(fēng)資源的優(yōu)化1）改善單個(gè)機(jī)組的風(fēng)資源狀況。主要手段為機(jī)組移位，加高塔筒，將風(fēng)資源不好的機(jī)組轉(zhuǎn)移到風(fēng)資源好的位置，或通過塔筒的增高，減小地面粗糙度等對(duì)該機(jī)位風(fēng)資源的

3、影響；2）改善整場(chǎng)風(fēng)資源優(yōu)化狀況（尾流控制）。通過整場(chǎng)風(fēng)資源的合理調(diào)配，減少機(jī)組間尾流的影響，犧牲個(gè)別機(jī)組的出力情況使整場(chǎng)發(fā)電性能最優(yōu)。1.2機(jī)組性能的優(yōu)化1）通過改變、恢復(fù)、提高葉片的氣動(dòng)特性而使機(jī)組性能提升。主要手段有葉片更換（小葉片更換為大葉片）、葉片加長(zhǎng)（葉片根部、中部加長(zhǎng)或加裝葉尖套等）、葉片增功（葉片加裝渦流發(fā)生器、擾流片等）、葉片清洗（清洗葉片污物，降低葉片表面粗糙度）、葉片修補(bǔ)（維修葉片開裂、局部損壞等）和葉片零位校準(zhǔn)；2）通過恢復(fù)、提高測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的精度而使機(jī)組性能提升。主要手段有風(fēng)向標(biāo)3）校準(zhǔn)和對(duì)正，更換風(fēng)速計(jì)等；4）通過恢復(fù)、提高部分傳感器或零部件的精度而使機(jī)組性能提升。主要

4、手段有轉(zhuǎn)速傳感器精度提升、溫控閥改造等；5）通過減少或消除機(jī)組自動(dòng)限功率運(yùn)行而使機(jī)組性能提升。主要手段有齒輪箱、變頻器等部件的散熱器進(jìn)行改造，提高散熱效果，減少或消息機(jī)組自動(dòng)限功率運(yùn)行；6）通過主控程序優(yōu)化而使機(jī)組性能提升。主要優(yōu)化目標(biāo)有：提高機(jī)組偏航精度或根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際風(fēng)資源情況調(diào)整偏航控制策略、切入切出風(fēng)速的優(yōu)化、控制策略有傳統(tǒng)查表法到PID控制法的優(yōu)化、根據(jù)空氣密度自動(dòng)調(diào)節(jié)的最佳Kopt跟蹤優(yōu)化、根據(jù)地形自動(dòng)調(diào)節(jié)的最優(yōu)槳距角跟蹤優(yōu)化、恒轉(zhuǎn)速和恒功率階段的智能切換、變頻器轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)化、提高額定轉(zhuǎn)速或功率的超發(fā)優(yōu)化等。1.3提高機(jī)組可靠性的優(yōu)化1）提高機(jī)組故障處理效率、定期維護(hù)效率、非發(fā)電設(shè)

5、備故障處理、維護(hù)等效率；2）統(tǒng)籌安排運(yùn)檢活動(dòng)，消除機(jī)組集中性缺陷；3）縮短限電時(shí)間。1.4降低設(shè)備損耗的優(yōu)化1）降低機(jī)組損耗；2）降低生活用電（站用電）；3）降低場(chǎng)內(nèi)線損；4）降低無功設(shè)備損耗；5）降低主變損耗等。2風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行優(yōu)化常見評(píng)估方法及流程風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備管理及運(yùn)行優(yōu)化評(píng)估指標(biāo)往往以優(yōu)化后發(fā)電量提升量為主，以機(jī)組功率曲線、可用率、故障率等變化率為輔。一般的，對(duì)改變機(jī)組性能的優(yōu)化方案多采用發(fā)電量提升量和功率曲線量化變化率兩種評(píng)價(jià)方式，對(duì)未改變機(jī)組性能的優(yōu)化方案多采用發(fā)電量提升量進(jìn)行評(píng)價(jià)。本部分的評(píng)估方法，僅適用于前面提到的前三種優(yōu)化類型，不適用于降低設(shè)備損耗的優(yōu)化，需要注意的是，該方法既適用于

6、單臺(tái)機(jī)組，也適用于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)于單臺(tái)機(jī)組可不用抽樣，對(duì)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)則采用抽樣的方法進(jìn)行。在將來，除了對(duì)機(jī)組當(dāng)前發(fā)電量、機(jī)組性能進(jìn)行評(píng)價(jià)外，對(duì)機(jī)組整個(gè)生命周期內(nèi)的效益、性能等評(píng)估將會(huì)成為主流。2.1評(píng)估流程功率曲線量化變化率和發(fā)電量提升量評(píng)價(jià)流程分別如圖1、圖2所示。2.1.1功率曲線評(píng)價(jià)流程功率曲線指標(biāo)采用機(jī)艙功率曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)流程為：1）選取規(guī)則選取機(jī)組規(guī)則：抽取風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)5臺(tái)機(jī)組進(jìn)行功率曲線評(píng)價(jià)。5臺(tái)機(jī)組抽取規(guī)則為：2臺(tái)主風(fēng)向上機(jī)組、2臺(tái)非主風(fēng)向上機(jī)組、1臺(tái)中間區(qū)域機(jī)組。選取時(shí)間規(guī)則：機(jī)組優(yōu)化完成后的2個(gè)完整自然月及上一年與之對(duì)應(yīng)的2個(gè)完整自然月。例如機(jī)組優(yōu)化時(shí)間為2014年10月，則

7、選取的時(shí)間段為：2014年11月-2014年12月和2013年11月-2013年12月。對(duì)選取的兩個(gè)時(shí)間段，根據(jù)場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔實(shí)際風(fēng)資源數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出前后時(shí)間段內(nèi)的平均空氣密度。2）優(yōu)化前功率曲線采用bin方法，對(duì)優(yōu)化前功率曲線進(jìn)行繪制，并采用外推功率曲線結(jié)合瑞利分布，計(jì)算出優(yōu)化前各機(jī)組的機(jī)艙功率曲線在以下三個(gè)年平均風(fēng)速下的外推年發(fā)電量：可研報(bào)告中代表年平均風(fēng)速-1m/s、可研報(bào)告中代表年平均風(fēng)速、可研報(bào)告中代表年平均風(fēng)速+1m/s。3）優(yōu)化后功率曲線采用同樣的方法，計(jì)算出優(yōu)化后各機(jī)組的機(jī)艙功率曲線在各年平均風(fēng)速下的外推年發(fā)電量。4）功率曲線指標(biāo)對(duì)優(yōu)化前后不同年平均風(fēng)速下的功率曲線進(jìn)行比較，取5臺(tái)機(jī)

8、組功率曲線量化變化率的平均值，若在3個(gè)年平均風(fēng)速下，功率曲線均有所提升，則認(rèn)為功率曲線指標(biāo)合格，否則認(rèn)為不合格。2.1.2發(fā)電量評(píng)價(jià)流程發(fā)電量提升量根據(jù)理論計(jì)算發(fā)電量變化與實(shí)際發(fā)電量變化的差值來進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)流程為：1）選取時(shí)間。發(fā)電量的計(jì)算選取優(yōu)化年和未優(yōu)化年整年的風(fēng)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。2）實(shí)際發(fā)電量變化率。從風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)運(yùn)行情況月報(bào)表中統(tǒng)計(jì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有機(jī)組優(yōu)化年和未優(yōu)化年的實(shí)際發(fā)電量，計(jì)算實(shí)際發(fā)電量變化率。3）優(yōu)化前理論計(jì)算發(fā)電量。采用未優(yōu)化年整年的測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，制作tab文件或tim文件，根據(jù)可研報(bào)告中的地形圖及實(shí)際的機(jī)位布置圖，采用廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，利用發(fā)電量（Wasp、WT、Win

9、dsim等）計(jì)算軟件進(jìn)行整場(chǎng)理論電量的計(jì)算。4）優(yōu)化后理論計(jì)算發(fā)電量。采用優(yōu)化年整年的測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，制作tab文件或tim文件，其余設(shè)置與條件與優(yōu)化前相同，計(jì)算優(yōu)化后的整場(chǎng)理論發(fā)電量。5）優(yōu)化后發(fā)電量變化率。采用理論計(jì)算發(fā)電量?jī)?yōu)化前后的變化率與實(shí)際發(fā)電量變化率的差值進(jìn)行計(jì)算。6） 優(yōu)化后提升發(fā)電量。根據(jù)優(yōu)化后發(fā)電量變化率計(jì)算優(yōu)化后提升發(fā)電量。圖1功率曲線量化變化率評(píng)估流程圖2發(fā)電量提升量評(píng)價(jià)流程2.2評(píng)估指標(biāo)2.2.1功率曲線評(píng)價(jià)指標(biāo)1）功率曲線量化變化率式中：i不同的風(fēng)速，i從1到3分別對(duì)應(yīng)可研報(bào)告中代表年平均風(fēng)速-1m/s、可研報(bào)告中代表年平均風(fēng)速、可研報(bào)告中代表年平均風(fēng)速+1m/s；j機(jī)組

10、編號(hào)；N機(jī)組個(gè)數(shù)；單臺(tái)機(jī)組優(yōu)化后的年發(fā)電量；單臺(tái)機(jī)組優(yōu)化前的年發(fā)電量；N臺(tái)機(jī)組在不同年平均風(fēng)速下的功率曲線變化率。2.2.2發(fā)電量評(píng)價(jià)指標(biāo)2）實(shí)際發(fā)電量變化率式中：整場(chǎng)機(jī)組實(shí)際發(fā)電量變化率；A上標(biāo)，表示實(shí)際值；整場(chǎng)機(jī)組優(yōu)化年實(shí)際發(fā)電量；整場(chǎng)機(jī)組未優(yōu)化年實(shí)際發(fā)電量。3）理論計(jì)算發(fā)電量變化率式中：整場(chǎng)機(jī)組理論發(fā)電量變化率；C上標(biāo)，表示理論計(jì)算值；整場(chǎng)機(jī)組優(yōu)化年理論發(fā)電量；整場(chǎng)機(jī)組未優(yōu)化年理論發(fā)電量。4）優(yōu)化后發(fā)電量變化率式中：風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組優(yōu)化后發(fā)電量變化率；5）優(yōu)化后提升發(fā)電量式中：E風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所有機(jī)組優(yōu)化后提升發(fā)電量。3國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組主控優(yōu)化方案國(guó)內(nèi)某風(fēng)電場(chǎng)華銳機(jī)型功率曲線無法滿足合同保證值要求

11、，可靠性較低，為了改善機(jī)組的發(fā)電性能，該風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了如下控制策略的優(yōu)化。1）針對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)，設(shè)置正確的控制參數(shù)，如槳葉型號(hào)、槳葉零位置參考角度、Cp值、起機(jī)和停機(jī)風(fēng)速等重要參數(shù)，以提高風(fēng)機(jī)發(fā)電量并大幅減小風(fēng)機(jī)振動(dòng)。并且通過專用的參數(shù)管理工具對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的控制參數(shù)進(jìn)行管理，保證以后更新程序不會(huì)影響之前校正好的參數(shù)。2）針對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的海拔高度和環(huán)境溫度變化，采用自適應(yīng)控制方法調(diào)整風(fēng)機(jī)的輸出功率，提高發(fā)電量。3）針對(duì)特定的槳葉類型，采用獨(dú)立變槳和優(yōu)化的變槳控制策略，特別是優(yōu)化低風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)的變槳控制，拓展風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)速區(qū)間，提高發(fā)電量。4）自適應(yīng)主動(dòng)阻尼控制策略，降低每臺(tái)風(fēng)機(jī)塔筒振動(dòng)，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)

12、。5）提供專門的故障診斷軟件，開放PLC軟件關(guān)鍵控制參數(shù)和中間計(jì)算過程，實(shí)時(shí)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)波形及各個(gè)IO狀態(tài)，自動(dòng)診斷風(fēng)機(jī)故障并提供詳細(xì)解決方案指導(dǎo)。4標(biāo)準(zhǔn)功率曲線測(cè)試評(píng)估方法為了驗(yàn)證該機(jī)組主控優(yōu)化效果，本文中按照第三章提供的評(píng)估方法與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線測(cè)試相結(jié)合的方式對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，除對(duì)功率曲線、發(fā)電量進(jìn)行評(píng)估外，還對(duì)機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)和控制策略進(jìn)行了評(píng)估。目前，采用IEC61400-12-1進(jìn)行實(shí)際功率曲線測(cè)試也被國(guó)內(nèi)外風(fēng)電行業(yè)普遍所認(rèn)可。用于功率曲線測(cè)量的風(fēng)速、氣壓、溫度等數(shù)據(jù)的測(cè)風(fēng)塔在該風(fēng)電機(jī)組東北方向60°，217米處。測(cè)量風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組分布如圖3所示。 從2014年6月開始，對(duì)L2-10

13、機(jī)組進(jìn)行葉片校零和主控程序優(yōu)化升級(jí)工作，于2014年11月23日完成全部改造工作。該機(jī)組在2011年優(yōu)化前曾由同一家測(cè)試團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)功率曲線測(cè)試工作，以此來作為優(yōu)化前實(shí)測(cè)功率曲線。 本節(jié)采用2011年和2014年實(shí)測(cè)功率曲線數(shù)據(jù)，分析優(yōu)化前后實(shí)測(cè)功率曲線、實(shí)測(cè)風(fēng)能利用系數(shù)、年發(fā)電量和控制策略的變化情況。其中優(yōu)化前實(shí)測(cè)曲線采用2010年11月1日2011年1月6日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化后實(shí)測(cè)曲線采用2014年11月23日2015年1月4日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖3測(cè)量地點(diǎn)機(jī)組布置圖4.1功率曲線對(duì)比分析 圖4為被測(cè)機(jī)組優(yōu)化前后2011年與2014年實(shí)測(cè)功率曲線對(duì)比圖。從圖中可以看出：除3m/s風(fēng)速以外各風(fēng)

14、速段下，優(yōu)化后2014年的實(shí)測(cè)功率曲線的表現(xiàn)皆優(yōu)于優(yōu)化前2011年實(shí)測(cè)功率曲線；在5.5m/s12.5m/s風(fēng)速段內(nèi)功率曲線提升較高，并于風(fēng)速10.5m/s時(shí)功率提升量達(dá)到最高值89.7kW；優(yōu)化后2014年實(shí)測(cè)功率曲線在12m/s風(fēng)速下達(dá)到保證額定功率值，而2011年的實(shí)測(cè)功率曲線是在13m/s達(dá)到保證額定功率值；并且機(jī)組在2014年優(yōu)化后實(shí)測(cè)連續(xù)最大功率達(dá)1529kW高于優(yōu)化前2011年的1512kW。圖4優(yōu)化前后2011年與2014年實(shí)測(cè)功率曲線對(duì)比圖（標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225kg/m3）4.2年發(fā)電量對(duì)比分析圖5為被測(cè)機(jī)組優(yōu)化前后2011年與2014年理論年發(fā)電量與保證年發(fā)電量曲線的關(guān)系

15、圖。從圖中可以看出：在4m/s11m/s的年平均風(fēng)速下，優(yōu)化后被測(cè)機(jī)組的理論年發(fā)電量均有所提升。理論年發(fā)電量隨年平均風(fēng)速的升高依次遞減，提升比值在3%8%之間。根據(jù)麒麟山風(fēng)電場(chǎng)可研報(bào)告中顯示：該風(fēng)電場(chǎng)的年平均風(fēng)速為7.66m/s。因此該風(fēng)電場(chǎng)在其年平均風(fēng)速下的理論年發(fā)電量提升4.43%左右。圖5優(yōu)化前后2011年與2014年理論年發(fā)電量與保證年發(fā)電量的關(guān)系圖4.3風(fēng)能利用系數(shù)曲線對(duì)比分析圖6為被測(cè)機(jī)組優(yōu)化前后2011年與2014年實(shí)測(cè)風(fēng)能利用系數(shù)曲線對(duì)比圖。從圖中可以看出：整體上優(yōu)化后2014年的風(fēng)能可利用系數(shù)值高于優(yōu)化前2011年，機(jī)組優(yōu)化效果較好，特別是3.5m/s13m/s風(fēng)速段內(nèi)優(yōu)化效

16、果明顯。圖6優(yōu)化前后2011年與2014年實(shí)測(cè)風(fēng)能利用系數(shù)曲線對(duì)比圖（標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225kg/m3）4.4控制策略對(duì)比分析圖7為被測(cè)機(jī)組優(yōu)化前后2011年與2014年的風(fēng)速槳距角和風(fēng)速轉(zhuǎn)速對(duì)比圖。由圖可知：優(yōu)化后改變了變槳控制策略，分段設(shè)置最優(yōu)槳距角，減少了機(jī)組追蹤最佳風(fēng)能利用系數(shù)控制階段的槳距角，由1.5°改為了0°；改變了機(jī)組轉(zhuǎn)速控制策略，優(yōu)化了空氣密度相關(guān)設(shè)置值，提高了機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，由1790rpm改為了1815rpm。圖7(a)優(yōu)化前后槳距角對(duì)比圖圖7（b)優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比圖4.5小結(jié)綜上所述，該機(jī)組經(jīng)過主控程序升級(jí)、優(yōu)化變槳和轉(zhuǎn)速控制策略后，機(jī)組實(shí)測(cè)功率曲線、風(fēng)能利用系數(shù)都有了明顯的提升。風(fēng)電場(chǎng)的理論年發(fā)電量可提升3%8%，在該風(fēng)電場(chǎng)可研年平均風(fēng)速（7.66m/s）下理論年發(fā)電量可提升4.43%左右，整體優(yōu)化效果良好。結(jié)論本文對(duì)風(fēng)電場(chǎng)常見優(yōu)化方法進(jìn)行了總結(jié)探討，總結(jié)了一般風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化評(píng)估方法的流程，并從風(fēng)電場(chǎng)主控優(yōu)化的實(shí)際案例，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)功率曲線測(cè)試的方