風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合改造技術(shù)驗(yàn)證

劉世江，劉作廣，傅杰敏

(新天綠色能源股份有限公司，上海 201204)

0 引 言

經(jīng)過十幾年的快速發(fā)展，我國風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量已穩(wěn)居世界第一，有望達(dá)到3億千瓦左右。

由于環(huán)境變化，裝機(jī)5年以上(2015年以前)的裝機(jī)機(jī)組，很多面臨風(fēng)資源變差，風(fēng)速降低的境遇。表1是某風(fēng)場的平均風(fēng)速和年利用小時(shí)統(tǒng)計(jì)，其平均風(fēng)速尤其是近幾年顯示呈逐年減弱的趨勢，年利用小時(shí)同風(fēng)場初期建設(shè)時(shí)相比有很大差距，風(fēng)場處于連年虧損狀態(tài)。

表1 某風(fēng)場平均風(fēng)速和年利用小時(shí)統(tǒng)計(jì)

文中闡述了針對某風(fēng)場進(jìn)行的國內(nèi)首創(chuàng)塔筒增高和葉片加長綜合改造科研驗(yàn)證。該科研方案可作為已建風(fēng)場風(fēng)資源變差的補(bǔ)償解決方案，方案的成功有利于提高存量機(jī)組的發(fā)電量，進(jìn)一步提高風(fēng)場經(jīng)濟(jì)效益及新能源產(chǎn)業(yè)的社會(huì)效益，有利于提高再生能源在系統(tǒng)中的比例，改善能源結(jié)構(gòu)。

1 改造基本原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電力設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)能基本表達(dá)公式為：

式中，P為理論風(fēng)功率；ρ為空氣密度；V為風(fēng)速；A為風(fēng)機(jī)掃風(fēng)面積；Cp為捕風(fēng)效率。

根據(jù)公式，理論風(fēng)功率和風(fēng)速的3次方、葉輪掃風(fēng)面積(葉輪直徑的平方)成正比。正因?yàn)槿绱耍岣唢L(fēng)速、加大葉片掃風(fēng)面積是提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電能力最有效的方法。

風(fēng)切變值反映風(fēng)速在垂直方向上的變化率，切變值越大，高層風(fēng)速的利用價(jià)值越高。風(fēng)切變指數(shù)直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂高度的確定，同時(shí)間接影響風(fēng)電場建設(shè)成本。風(fēng)切變冪指數(shù)公式的表達(dá)式為：

V2=V1*(Z2/Z1)α

式中，V2為高度Z2處的風(fēng)速(m/s)；V1為高度Z1處的風(fēng)速(m/s)；α為風(fēng)切變指數(shù)。

圖1是當(dāng)風(fēng)切變指數(shù)α為0.204時(shí)的各高程風(fēng)速曲線，可以看出，風(fēng)速隨著高程增大而增大，就是說風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪轂高度越高，可以捕獲的風(fēng)能更多。

圖1 地面高程-風(fēng)速圖(風(fēng)切變0.204)

2 科研專題簡述

2.1 風(fēng)資源分析和風(fēng)場后評估

對科研驗(yàn)證風(fēng)場的不同高度的風(fēng)資源情況進(jìn)行綜合分析：使用WT5.3和WindPRO3.2風(fēng)資源分析軟件，剔除測風(fēng)塔受風(fēng)機(jī)尾流影響數(shù)據(jù)及無效風(fēng)數(shù)據(jù)，并對測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行有效修復(fù)，量化風(fēng)參數(shù)變化和改造后的發(fā)電量預(yù)期增量。通過采集風(fēng)機(jī)歷史SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)場后評估選定試驗(yàn)機(jī)位。

本科研項(xiàng)所選擇風(fēng)機(jī)原始葉輪直徑為77米，擬驗(yàn)證加長至82.5米，選用國產(chǎn)某品牌的40.3米長度葉片，該葉片適用于葉輪額定轉(zhuǎn)速17.3米/分，IECII類風(fēng)速(平均風(fēng)速7.5米/秒)風(fēng)區(qū)。

2.2 主控控制策略

新的控制策略采用恒功率控制算法，它基于風(fēng)機(jī)的葉片模型，通過實(shí)時(shí)地微調(diào)槳葉角度追蹤最佳風(fēng)能利用率(Cp值)來提高低風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率和額定風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的滿發(fā)效果，此算法以對應(yīng)風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的最佳功率值為控制對象，與上一代控制策略的將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制對象的算法相比，新的最佳捕風(fēng)效率率控制算法具有控制模型更優(yōu)、轉(zhuǎn)矩給定更平滑和魯棒性更優(yōu)等特點(diǎn)，舉例如下：

追蹤最佳Cp值(Cp：最佳風(fēng)能利用率)，在低風(fēng)速(低于額定風(fēng)速)的風(fēng)況下，通過微調(diào)槳葉追蹤最佳的風(fēng)能利用率(相較于將槳葉角度始終固定在0度的算法相比，實(shí)際上，此時(shí)的0度角并不是葉輪捕獲風(fēng)能的最佳角度)，譬如：在5 m/s的風(fēng)況下，新的的恒功率控制算法將槳葉角度調(diào)節(jié)到1.7度(而非0度)，此時(shí)葉片可以獲得最佳風(fēng)能利用率：Cp為0.33(葉輪捕獲最優(yōu)風(fēng)能)；但是，如果采用上一代風(fēng)機(jī)控制算法(槳葉角度始終固定在0度)，則在同樣5 m/s風(fēng)況下，能夠獲得的Cp值可能只有0.3(0.3<0.33)，根據(jù)風(fēng)機(jī)葉輪所捕獲風(fēng)能的計(jì)算公式：P=1/2A*V3*Cp*D*η，相較恒功率控制算法損失了3%的風(fēng)能效率。

2.3 風(fēng)機(jī)安全性分析

BLaded軟件是一款由英國FGarrad Hassan and Partnersl.inited 公司開發(fā)的用于風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件。它適用于陸上和海上的多種尺寸和型式的水平軸風(fēng)機(jī)，進(jìn)行設(shè)計(jì)和認(rèn)證所需的性能和載荷計(jì)算。軟件本身的可靠性已通過GL (德國勞埃船級社)認(rèn)證。日前GH Bladed己被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)，用戶包括風(fēng)機(jī)及零部件制造商、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)、認(rèn)證機(jī)構(gòu)。

Bladed軟件為用戶提供一個(gè)陸上、海上風(fēng)機(jī)性能和負(fù)載的設(shè)計(jì)解決方案。軟件具有基于 Windows 的繪圖用戶界面和在線幫助功能，操作方便，同時(shí)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。GH Bladed 支持風(fēng)載荷和波浪載荷組合計(jì)算，采用全空氣彈性和水彈性模型并考慮地震勵(lì)磁的影響。GH Dladed 具有多個(gè)功能模塊，包括外殼穩(wěn)定性分析，動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬、負(fù)載與電能獲取分析、批處理和報(bào)告自動(dòng)生成、電網(wǎng)交互以及控制設(shè)計(jì)的線性化模型。

Blaced 軟件是一個(gè)用于風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的集成化軟件包，可以提供各種風(fēng)摸型、控料系統(tǒng)，動(dòng)力響應(yīng)等多種綜合模型。可用于風(fēng)電機(jī)組功率分析，載荷計(jì)算、風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能分析等。

根據(jù)風(fēng)資源專題輸出結(jié)果，基于待試驗(yàn)風(fēng)機(jī)原始配置，用Bladed軟件建立風(fēng)機(jī)模型，采用升級后新的控制策略，按IEC 61400-1∶2005(E)規(guī)定進(jìn)行風(fēng)機(jī)載荷評估。

根據(jù)載荷報(bào)告，評估技改后的風(fēng)機(jī)各部件安全性，包括葉片、變槳、傳動(dòng)鏈、塔筒及基礎(chǔ)等，結(jié)合風(fēng)電場實(shí)際部件故障率提出部件/子系統(tǒng)能力加強(qiáng)改進(jìn)方案。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

本次科研目標(biāo)風(fēng)機(jī)為某國內(nèi)品牌1.5 MW風(fēng)機(jī)，為引進(jìn)機(jī)型，其原始部件具備性能提升的設(shè)計(jì)余量。在本次科研驗(yàn)證之前，同款機(jī)型已經(jīng)完成葉輪直徑77米加長至82.5米的科研驗(yàn)證，驗(yàn)證時(shí)間超過1年。

綜合風(fēng)場后評估結(jié)果和風(fēng)機(jī)安全性分析結(jié)果擬定技改范圍，依據(jù)IEC61400系列標(biāo)準(zhǔn)，評估關(guān)鍵部件能力，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、改造及升級。

本次科研關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)包括：

(1)塔筒升高設(shè)計(jì)：將現(xiàn)有風(fēng)機(jī)，保留原高度塔筒段，在塔筒最底部增加一段新塔筒段，連接基礎(chǔ)和原始塔筒。同時(shí)，進(jìn)行塔筒內(nèi)部新電氣和機(jī)械內(nèi)裝設(shè)計(jì)。輪轂高度由原始的61.5米提升到77.5米，高度提升26%。

(2)葉片加長設(shè)計(jì)：用新的82.5米直徑葉片替代原風(fēng)機(jī)的77米直徑葉片，改造后葉輪捕風(fēng)面積增加14.8%。

(3)主控系統(tǒng)升級：原風(fēng)機(jī)的主控系統(tǒng)采用查表式功率曲線方法，新的主控系統(tǒng)引入功率曲線動(dòng)態(tài)尋優(yōu)辦法，優(yōu)化載荷，提升發(fā)電能力。

(4) 基礎(chǔ)加強(qiáng)：利用原始基礎(chǔ)，采用基礎(chǔ)局部加強(qiáng)工藝，進(jìn)行基礎(chǔ)承載能力加強(qiáng)，加強(qiáng)后基礎(chǔ)承載能力提高約30%。

經(jīng)過系統(tǒng)級別的加強(qiáng)后，使風(fēng)機(jī)薄弱部件能力大幅提升，滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)剩余生命周期的各項(xiàng)要求，達(dá)到改造目標(biāo)。

4 效果驗(yàn)證

4.1 技改效果驗(yàn)證的目標(biāo)

本次技改涉及到葉片加長，需要將技改前后的SCADA風(fēng)速和實(shí)際自由來流風(fēng)進(jìn)行函數(shù)修正，以得到風(fēng)機(jī)的實(shí)際功率曲線。

由于輪轂高度變化，需要獲得技改前后高度的實(shí)際風(fēng)切變，對比技改前后兩個(gè)高程的風(fēng)速，獲得由于輪轂高度變化，風(fēng)速增加獲得的發(fā)電量增量。

4.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)速標(biāo)定

根據(jù)IEC61400-12-2，需要對風(fēng)機(jī)SCADA風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)定，得到SCADA風(fēng)速到實(shí)際來流風(fēng)速間的傳遞函數(shù)。本次技改的風(fēng)機(jī)處于復(fù)雜地形條件，為效果驗(yàn)證增加了難度。為了得到準(zhǔn)確的傳遞函數(shù)，根據(jù)IEC61400-12-2 Annex D，在有限條件下，相對準(zhǔn)確的推算傳遞函數(shù)。

4.3 測風(fēng)設(shè)備

本次測風(fēng)采用Molas B300 地面式激光雷達(dá)，該產(chǎn)品基于多普勒原理，可實(shí)現(xiàn) 40～300 m 風(fēng)場信息測量，風(fēng)速測量精度 0.1 m/s，風(fēng)向測量精度 1°，數(shù)據(jù)更新頻率 1 Hz，風(fēng)速測量范圍 0～60 m/s，測量溫度范圍-40～50 ℃，相對濕度 0%～100%，滿足現(xiàn)場測量要求。

4.4 測量周期確定

由于風(fēng)機(jī)葉片和輪轂高度技改前后均有變化，測風(fēng)分成兩次，分別在技改前和技改后進(jìn)行，每次測風(fēng)周期一個(gè)月。

4.5 激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)

測量高層：40 m/50 m/60 m/70 m/75 m/80 m/85 m/90 m/100 m/110 m/120 m/130 m

激光雷達(dá)記錄現(xiàn)場測風(fēng)點(diǎn)的：10 分鐘平均溫度，氣壓的環(huán)境參數(shù)。

每個(gè)高層記錄：10 分鐘平均水平風(fēng)速，水平風(fēng)向，水平湍流等信息。

在數(shù)據(jù)可信度方面記錄每個(gè)高層的信噪比和數(shù)據(jù)可靠性。

4.6 傳遞函數(shù)推導(dǎo)

利用GPS對時(shí)系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)SCADA和激光雷達(dá)進(jìn)行對時(shí)。以相同時(shí)刻SCADA風(fēng)數(shù)據(jù)為自變量，激光雷達(dá)風(fēng)數(shù)據(jù)為因變量，分別按一階函數(shù)和二階函數(shù)進(jìn)行函數(shù)擬合，當(dāng)殘差值大于0.95時(shí)認(rèn)為函數(shù)相關(guān)性較好。圖三為技改前和技改后擬合的風(fēng)速傳遞函數(shù)曲線。

圖2 風(fēng)速傳遞函數(shù)曲線

基于兩次測風(fēng)結(jié)果，得到技改前后兩個(gè)不同高度的風(fēng)頻和葉片加長前后的功率曲線，如圖4所示。

圖3 功率曲線和風(fēng)頻分布對比

4.7 功率曲線對比

經(jīng)過風(fēng)速修正后的功率曲線對比，可以看到風(fēng)機(jī)爬坡段(至額定功率之前)相同風(fēng)速下的發(fā)電能力獲得了較大提升，也就是通常所說的功率曲線左移；滿發(fā)段技改后能夠達(dá)到額定輸出功率，但是技改前未能達(dá)到額定輸出功率，說明技改前風(fēng)機(jī)系統(tǒng)存在問題。

5 科研結(jié)果

本科研項(xiàng)目歷經(jīng)安全性和經(jīng)濟(jì)性測算，項(xiàng)目實(shí)施和一年期的實(shí)際驗(yàn)證等各個(gè)科研階段，驗(yàn)證結(jié)果顯示發(fā)電量提升貢獻(xiàn)分別為：葉片加長9.6%，控制優(yōu)化5.7%，塔筒約為10.8%，綜合提升量大于26.1%。風(fēng)機(jī)改造后持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，證明本科研方案安全可靠。

6 結(jié)束語

文中闡述了針對某風(fēng)場進(jìn)行的國內(nèi)首創(chuàng)塔筒增高和葉片加長綜合改造科研驗(yàn)證。

本次科研的主體是將原有風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行葉片加長及塔筒增高綜合技改，結(jié)合主控系統(tǒng)升級研發(fā)、新塔筒段研發(fā)、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)能力加強(qiáng)。

本次科研采用激光雷達(dá)測風(fēng)方式進(jìn)行風(fēng)機(jī)SCADA風(fēng)速校正，進(jìn)而驗(yàn)證葉片加長造成的功率曲線變化和輪轂提高引起的風(fēng)頻分布變化。

本次科研的成功有利于提高存量風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)電利用率，進(jìn)一步提高風(fēng)場經(jīng)濟(jì)效益及新能源產(chǎn)業(yè)的社會(huì)效益，有利于提高再生能源在系統(tǒng)中的比例，改善能源結(jié)構(gòu)。可有效改善老舊風(fēng)場的發(fā)電量落后局面，通過提升風(fēng)能利用率使老舊風(fēng)場煥發(fā)青春濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。