淺析大型風電場發電運行提質增效技術

韓常仲

（國華（呼倫貝爾）風電有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

2019 年，我國的風力發電裝機容量達到了2574 萬千瓦，其中云南、廣州風電利用小時數都超過了2600 小時以上，可見風電發展迅猛。然而，風力發電因為季節、風速、設備、線纜、技術等影響導致電場的設計發電目標很難達成，其發電運行提質增效一直都是熱門話題。筆者將目前最關注的風向矯正技術、葉片捕能效率提升技術、最優轉速控制策略方法、雙饋-鼠籠電機雙?？刂萍夹g、優化改進潤滑技術、鋁合金線纜和母線槽應用分別介紹，希望對此類工作有所幫助。

1 影響大型風電場發電效率的因素

（1）環境因素：其中最重要的便是季節變化導致的溫度、濕度、氣壓、擾動氣流等對風力發電機的影響。例如，溫度、濕度綜合作用導致的風電電機葉片腐蝕，空氣流動速度過小導致發電能力降低等。

（2）設備因素：機組對風策略存在偏差或風向信號誤差引起，機組風輪無法垂直迎風，降低風能吸收，增加設備疲勞載荷；葉片捕獲風能效率，主要影響因素有葉片氣動參數與風況不匹配、葉片安裝角度偏差、葉片污染和葉片結冰覆霜，影響葉片氣動性能；機組機械部件潤滑不良，導致機械磨損損耗增加，能量轉換效率降低；線纜以及母線質量不佳，例如，銅芯電纜導電性能差，會導致一部分電能轉化為熱能流失，從而降低了輸出功率；設備運行穩定性差，可利用率降低，導致風資源利用系數較小。

（3）技術因素：技術約束、網架因素導致的棄風電量，棄風電量越大，風電場損失越大，因此，如何減小棄風電量成為我國風電場最為關注的技術話題。

（4）人為因素：主要指的是風電場技術人員水平對發電效率的影響。目前，我國風電場技術人員綜合水平與國際風電場工作人員綜合水平相比存在較大差距。技術性、職業素養、思想道德等都需要進一步提升。

2 風電場發電運行提質增效策略

2.1 積極緩解環境影響

風力發電機組是將機械能，即風能轉化為電能的設備，風力帶動機組風輪旋轉，然后，通過增速機給發電機增速，來實現發電目的。一般情況下，風速3.0m/s 便可以輕易使得風輪旋轉，對外輸送功率。這其中風速、方向、溫度、濕度等形成綜合影響，會作用于葉片影響其發電效率。其中風向一般來說影響較小，因為風力發電機系統有風向追蹤系統，能夠動態改變風電機組對風角度，但若是風向追蹤系統發生故障，風電機組就失去了風向捕捉功能，發電效率自然下降。另外，發電機組周圍環境如氣溫、濕度、氣壓等存在早晚較大波動，直接導致發電機組的發電效率也會出現相應的明顯的改變。為了應對這樣的環境影響，研究人員要建立合理的控制策略，要對風電機組進行很好的動態控制。需要積極地測量環境氣溫、濕度、氣壓等有關參數，憑借這些數值來調整策略，要確保扭矩最適合，這樣才能使風輪轉速和葉尖速比達到最佳狀態。這樣的處理可以使得風力發電機組能更好地吸收風能，有效地提高風力發電機輸出功率?？梢匀谌氲孛娲怪惫饫走_設備，該設備具有精準的空氣氣溫、濕度、風速、風向、湍流、氣壓等測量能力。該設備對于0 ～80 米范圍內的風速都能做到正確顯示，最大精度達到了0.01m/s。只是該設備一般主要用在了海上風力資源評估，能夠很明顯地減少海上測風塔的投資成本。

2.2 大力提升設備發電效率。

2.2.1 糾正機組對風偏差

（1）精確測量風速。風機功率曲線指的是“風機風速——風機功率”的關系曲線。如果風速測量不準確，必然影響功率曲線。機組功率控制優化，首先，要考慮風速傳感器特性和風速傳遞特性的影響，如采用數字信號脈沖風速傳感器，核對風速儀增益和偏移參數，風機主控系統中正確配置不同傳感器參數，采用模擬信號風速傳感器信號類型選配與主控采集模塊量程一致。

①機組風速儀參數的設置。

數字脈沖式風速儀的風速計算公式如下：

式中，Gain 為風速儀增益；f 為風速儀測量頻率；Offset為風速儀偏移。

②參數對風速的影響。

如果風速儀參數設置錯誤，將會引起測量誤差偏大，影響最優控制策略。如表1 所示將某品牌風速儀參數按照其他廠家參數設定，會出現明顯偏差。

表1 風速參數對實測風速影響

可以看出，當實際風速10m/s 左右時，測量值會出現0.5m/s 左右的偏差，而實際風速20m/s 左右時，測量值會出現1.5m/s 左右的偏差。

圖1 不同風速參數實測風速對比分析圖

（2）糾正風向偏差。風向標安裝傾斜，會影響風機的風能吸收系數。如果僅從掃風面積考慮，相當于通過風輪的掃風面積減小，如果風向標偏差角度為?，則實際掃風面積為：SA=S·cos?，所以需要精確安裝風向標對提升機組發電效率至關重要。當然，風向偏差同時也影響了葉片的風能吸收效率。

檢查風向標底座0 刻度。手動將風向標風標對正底座0 刻度，在機艙面板觀察相對風向是否為0°左右。風向標零刻度可能存在偏斜，即0 刻度本身不準確，則按照實際的0 位置進行安裝。

檢查風向標是否工作正常。手動將風向標風標180°背對底座0 刻度， 在機艙面板觀察相對風向是否為±180°左右。來回晃動風向標，觀察數值變化是否正確。

圖2 風向標偏斜對功率的影響

可以看出，風向偏差5°時，效率降低1%，風向偏差達到10°時，效率將降低4%以上。

2.2.2 優化調整控制策略

風力發電機組中自然風能吸收的功率：

風力發電機機組輸出的功率：

式中，ρ 為空氣密度，kg/m3；S 為風輪掃風面積，m2；U為風速，m/s；Cp 為風能利用系數；λ 為葉尖速比；β 為葉片槳距角，rad/s；η 為機組效率，包括機械效率、電氣效率。

由公式（1）、（2）可知，要提升單機發電量，就需要提升機組從風能中吸收的功率和風力發電機的輸出功率。對于已投入運行的風場，在不增加和更換機組硬件的情況下，主要從風能利用系數和機組效率方面優化。

風能利用系數是葉尖速比λ 和槳距角β 的函數。風能利用系數的最優控制就是通過控制算法追蹤最佳葉尖速比控制實現。如圖3，當槳距角維持不變，機組在最佳葉尖速比時，風能利用系數最大。

圖3 風能利用系數Cp 與葉尖速比λ 關系

通過優化控制算法，實現風能利用系數最大化，控制算法的優化如下：（1）低風速時實現恒轉速控制，目標轉速為最小運行轉速。（2）中風速時追蹤最佳Cp 控制，實現捕獲最大風能。（3）較高風速時實現恒轉速控制，目標轉速為額定轉速，盡量使葉輪轉速維持在額定轉速，以提高葉尖速比，向最佳Cp 靠近。（4）額定風速以上實現恒功率控制，限制發電機功率輸出。

2.2.3 提升葉片捕獲風能效率

2.2.3.1 槳葉角度檢查

圖4 葉片角度對Cp 和λ 影響關系

如圖4 所示，影響風電機組風能吸收系數的主要因素為葉尖速比（tip speed ratio[TSD]）λ 和槳葉角度，當槳葉角度為0°，且運行于最佳葉尖速比時機組具有最大的風能吸收系統Cpmax。

所以，為了讓風機更好地吸收風能，達到最大的效率，必須做到：①葉片的精準調零，使風機運行在葉片0°；②使風機按照最佳的葉尖速比運行；③如果葉片實際0°大于設計0°，則會出現功率一直偏小，滿發風速偏大的問題；④如果葉片實際0°小于設計0°，也會出現功率一直偏小，滿發風速偏大的問題。但如果實際0°偏差過大，在風機滿發風速附近可能會出現更加嚴重的問題：功率波動，軟件超速，甚至硬件超速的現象。

2.2.3.2 改變葉片氣動性能

在役的機組，無法改變葉片選型背景下，如何不降低葉片氣動性能或提升葉片氣動性能，是業界內廣泛關注的內容?？梢詮膬蓚€方面加強葉片氣動性能，一是定期檢查維護葉片，及時修復葉片表面損傷區域，避免葉片污染或受損增加風阻；二時升級改造葉片，通過葉根加長、葉尖加長或后緣加裝擾流器等方式來改變葉片氣動性能，提升葉片捕獲風能效率，提高機組發電量，切實起到增功提效。

2.3 優化改進潤滑技術

潤滑系統是風電機組的重要組成部分，而各潤滑油泵（主軸油泵、變槳油泵、發電機油泵）是機組潤滑系統的關鍵設備，其是否正常工作關系著各軸承（主軸軸承、發電機軸承、變槳軸承）是否能正常運行。潤滑油泵損壞后，軸承將無法得到充分有效的潤滑，長此以往，軸承將受到不可逆損壞，最終導致下架更換，造成高額的更換費用和長時間的停機。

潤滑系統的維護難點在于缺少相應的故障點位，即便潤滑系統發生了相應的故障，也不能及時通知運維人員進行有效的處理。在對風電場內風電機組進行了詳細的研究和討論后，結合風電場的實際情況，開發出了在線式潤滑監測系統，以實現對主軸系統、變槳系統和發電機系統的潤滑監測。

本系統采用西門子200 SMART PLC 作為控制器，具體的電路圖如圖5。

圖5

F-主控模塊送出主軸油泵動作狀態；

L、L1、L2-電流互感器開關狀態；

T37、T38、T40、T41-時間繼電器；

C0、C1、C2、C3、C4、C5-計數器；

Q0.1、Q0.2、Q0.3-狀態輸出信號。

（1）Q0.1-主軸潤滑油泵狀態

正常運行時：主軸油泵運行，主控送出信號，F 動作，油泵電機動作。同時，線路中L 電流互感器開關感應到電流動作，Q0.0 狀態為0。

故障時：當出現故障時，主控送出狀態信號，F 動作，由于開關電源損壞，油泵電機不動作。線路中L 電流互感器開關感應不到電流不動作，Q0.0 的狀態為1，同時，保存此時Q0.0 的狀態。

變槳油泵、發電機油泵的動作由其內部定時電路板決定（暫定運行6.5min，間隔24h，可根據不同潤滑系統進行更改）。

（2）Q0.2-發電機油泵狀態

T37 為內部設定的時間繼電器，設定時間為4.5min，之所以設置為4.5min 而不是6.5min，是為了確保在PLC 時間與主控時間存在誤差時消除誤報警。T40 為設定的延時繼電器，延遲1min。用C0、C1、C2 計數器的組合作為系統時鐘，由L1 控制刷新，用來啟動T37，與L1 的狀態無關

正常情況：L1 動作代表系統正常，L1 信號由電流互感器開關發出。當L1 動作時，T40 開始計時，1min 之后T40 動作，同時，T37 動作。此時Q0.2 狀態為0。4.5min 后，T37 狀態變為0，此時Q0.2 狀態為0。6.5min 后，L1 信號消失，此時，Q0.2 狀態為0。每當L1 動作，C0、C1、C2 依次開始計數，總時長24h7.5min。故障情況：當出現故障時，L1 不再動作，在L1 上次動作時啟動的C0、C1、C2 依次計數運行至24h7.5min 時，啟動T37。此時，T37 狀態為1，L1 狀態為0，Q0.2 動作，狀態為1，并保持。

（3）Q0.2-變槳油泵狀態

與發電機油泵的運行系統同理，可以根據需要進行修改。

風電場的機械故障是所有問題中最難處理的故障，機械故障具有修復難、停機時間長、維修費用高的特點。軸承損壞的所造成的故障占機械故障的大多數，而軸承損壞的根源大多集中在潤滑不良上。潤滑系統技改針對現場潤滑系統的實際運行情況和故障原因，有效地解決了因潤滑系統故障所造成的軸承潤滑不良。

潤滑系統技改后，主控系統可以跟隨潤滑系統作出相應的調整，為潤滑系統開通相應的點位并設置報警信息，就會在潤滑系統出現故障時，第一時間通知檢修人員進行相應的處理。保證在第一時間對故障的潤滑系統進行檢修，確保各軸承有良好的潤滑效果。

同時，技改后的潤滑系統具有死區控制、防止誤觸發及運行時間校正等功能。防止由于機組上電、更滑油泵和油泵運行時間與實際時間有差別等造成的誤報警，提高潤滑系統運行的可靠性。本系統可以根據各種機型的技術要求，進行相應的參數修改，以符合各種機型的需要。

2.4 降低線纜損耗

線纜方面建議選擇鋁合金材質。主要是此類線纜造價、使用便捷度、維護相對銅芯電纜來說有很大的優勢。首先，生產廠家總結了之前單獨鋁材質抗腐蝕性差，鋁中加入稀有金屬以及稀土，尤其是稀土具有的彌補表層缺陷、細化晶粒作用提升了線纜的質量；其次，鋁的電極電位負移，賦予線纜陽極效應，讓線纜局部腐蝕可能性降低；此外，鋁合金線纜具有以下特點：能夠有效對抗高熱、過載，保證線纜的電流穩定，具有很高的柔韌性，能夠隨意彎曲，這對于線端子對接來說，提供了很大的便利；還具有較高的延展性，對抗外部拉伸能力和銅芯線纜相差無幾。不停電設備電源線纜之外，其他的所有線纜都可以采用鋁合金線纜，其能夠有效降低電能損耗，從而有效降低成本。另外，在低壓供電系統中，母線槽具有傳輸以及分配電能作用，其載流量以及安全度高，在工程配電設計上以及安裝上簡單易行特點。該材料用于風力發電中的主要原因是：風力電塔高度一般為50 米左右，和電網并網的變壓器卻處在塔底，發電機定子、轉子回路到到變壓器這個過程需要輸配電干線連接供電。

2.5 互通有無，提升技術水平

筆者認為，需要積極地利用互聯網來和國外先進經驗對接，彼此互通有無，提高技術水平。也可以專門和電力專業高校合作，專門就棄風電量展開研究，找到導致其居高不下的技術因素以及網架因素，能夠針對性改良電網設計方案。例如，2018 年全國范圍內棄風電量為277 億千瓦時，和2017 年相比降低了142 億千瓦時，全國范圍內棄風率7%。該數據較比2017 降低了5%。這意味著我國會因此而節省大量的成本。棄風電量集中發生在內蒙、新疆、甘肅等地。另外，對于已建電場，積極進行偏航誤差矯正是提升發電水平的主要技術手段。通過對以往的風場測試得知，機組存在的偏航誤差處在2°～7°，樣本風場項目的偏航誤差都處在3°左右。而且現有的資料證明，7°偏航誤差會導致2%電損。最常用的矯正設備是激光雷達矯正設備，其精度高操作簡單，運行成本低。

2.6 做好日常維護，提升技術人員技術能力和職業素養

風力發電場的的提質增效主要在于日常設備維護，而該項工作對技術人員有著很高的要求，除了技術外，還需要擁有良好的道德素養。這樣才能保證日常維護工作的順利開展。日常要求技術人員能夠正確“看”“聽”，能夠正確動手操作。所謂看，就是能夠觀察線纜電路是否存在松動、位移；電纜是否漏電或者出現嚴重磨損，元件是否產生了明顯的放電情況；發電機和輪轂接地碳刷是否接觸良好；觀察液壓站中的壓力表數值是否在標準值內；齒輪等傳動組成是否出現明顯磨損。所謂聽，指的是能夠通過雙耳來傾聽控制柜中是否出現放電，若是出現對應的聲音說明存在接觸不良，需要詳細檢查。另外，需要認真觀察齒輪箱、軸承是否異常，閘盤閘墊間是否出現異常聲響。動手操作則是指工作人員可以通過切實行動來檢驗設備，例如，對葉片收槳展開測試防止其失效，能夠檢驗潤滑系統、液壓系統功能保證其處在正常狀態，對發生的不良狀況具有對應的處理能力。需要工作人員作為日志并展開內部交流，能夠總結經驗提升技術水平。

2.7 電場日常管理、庫房管理工作要到位

需要積極地改良電場日常管理水平，因為日常管理關乎人、財、物、信息的管理，只有很好做好這些工作，才能確保整個電場健康可持續發展。為了實現全體人員有效工作，需要推出科學系統的考核機制，確使所有人能夠積極提升自己能力做好本職工作，降低運行成本，提升電場效益。其中庫房備件的管理十分重要。這是因為一般風電場遠離居住區交通并不是非常順利，一般備件若是斷檔，物流發送到位，也需要五天以上甚至于更長時間。這就要求庫房必須結合信息化技術做好具體的管理工作，保證備件的及時供應以及有效庫存量。筆者認為，其中結合日常故障形成數據庫管理總結出損耗最大的元件，這樣可以提升備件儲備能力。

3 結語

總而言之，風電場的提質增效是貫穿始終的工作，這是因為風電場設備都會逐漸老化，需要具體的各類技術來展開檢測、維護、更換等工作，這些工作質量自然而然關乎提質增效的成績，這就意味著，培養高能力的工作團隊是提質增效的關鍵。