風力發電機組發電性能分析與優化

張金鑫

（華潤新能源（東營）有限公司，山東 青島 257500）

1 風力發電機發電能力評估

風力發電機的等效風能利用小時數是衡量項目發電性能的重要指標，它就是風力發電機年發電量與容量的比值。對于單臺機組，它是單臺風機年發電量與機組容量的比值。所以可以從分析單臺風機的等效風能利用小時數入手。統計單臺機組的發電量，將單臺機組發電量加上限電、故障、檢修等損失電量折算為等效利用小時數，對風電場同型號機組的等效利用小時數進行排序，并將實際風速與等效利用小時數進行對照分析，可以篩選出相同風速條件下等效利用小時數低于平均值的機組。

風機功率曲線是風力發電機組發電能力的最直接體現。所以用功率曲線可以有效地分析風機的健康水平和發電能力。由于受到機組尾流、空氣密度、湍流強度等環境因素的影響，風力發電機組在運行過程中的實際運行功率曲線與設計功率曲線可能并不完全匹配，通過綜合判斷單臺風機實際功率曲線與標準功率曲線之間的差異，能有直觀地反映出風機發電能力的優劣。我們可以取單臺風力發電機一年10 分鐘風速和有功功率，結合機組實際功率曲線，推算單臺機組的年理論發電量；利用10 分鐘平均風速和合同保證的功率曲線，推算單臺機組的實測風速年保證發電量，并繪制分布圖。分析風電機組實際運行功率曲線計算發電量與合同保證功率曲線計算發電量之間的比值為功率曲線符合度。對機組功率曲線符合度進行排序分析，可以篩選出功率曲線符合度異常機組。

2 機組發電性能排查

2.1 機組軟件分析排查

風力發電機組SCADA 是風力發電機組安全穩定運行的監控中樞，它實時記錄著風力發電機組的各方面運行數據，隨著技術的進步，它記錄的數據越來越全面，在運行分析中的作用也越來越大。充分利用風機SCADA 平臺，可以非常直觀地發現風力發電機組在發電能力方面的異常。

首先，在同一風場，對比同型號機組在相同工況下功率曲線散點，可以發現機組在相同功率曲線模型下，不同風機的功率曲線散點圖不同（如圖1），可以刪選出曲線偏差較大的機組，進行專門的分析。以某風電場1#、2#風機為例，兩臺風機在相同工況和功率曲線模型下，2#風機功率曲線明顯靠下，發電能力低于1#風機。

圖1

其次，風力發電機組在運行過程中的發電功率與轉速轉矩有著直接的關系，它遵循P=Tn/9550 的關系；式中，P 為功率，kWn；n 為轉速，r/min；T 為轉矩，nm；9550 是計算系數。所以分析風力發電機運行過程中的轉速、轉矩變化也可以發現運行異常的機組。仍然以某風電場1#、2#風機為列，可以發現機組在同等條件下，轉矩的明顯不同（如圖2）。

圖2

風力發電機通過測風裝置采集風速與風向，通過偏航系統，調整對風角度，使葉輪能正對來風方向，采集更多的能量。所以，定期對風力發電機組對風偏差進行排查，并及時分析產生偏差的原因，對偏差進行調整，能夠有效改善機組的發電能力，提升風力發電機組的發電量。借助風機SCADA 平臺，排查機組風速和偏航對風角度散點圖，可以分析風力發電機的偏航控制策略是否存在異常（如圖3）。

圖3

2.2 機組硬件分析排查

風力發電機機艙頂部安裝有風速風向儀，跟蹤風速和風向的變化，通過偏航系統調整對風角度，使風力發電機處于最佳的迎風角度，當檢測到風速達到切入風速時，變槳驅動裝置帶動變槳軸承轉動，使葉片保持最佳的迎風狀態，從而使風能轉換為電能，所以對于發電效能異常的機組，首先應檢查風向標零刻度是否對正對機艙正前方，并在10m/s 以上風速時，動轉風向標到90°、180°、270°、360°位置，對比機組SCADA 顯示數據是否與機艙位置一致，對一致性較差的測風裝置進行更換。其次，排查葉片安裝角度和零位角度，在風機SCDAD 顯示葉片位置為零度時，檢查三支葉片的零度位置標記和輪轂上的零度位置標記是否存在偏差，如果存在偏差也會影響風機的發電能力。

3 機組發電性能提升

3.1 額定功率提升優化

對風機所在風場的氣候條件及風機的載荷進行評估，來決定是否可以對風機進行額定功率提升。功率提升可以明顯提高發電量，依據類型不同，比例亦有所不同。但是，風電機組進行額定功率提升，必須建立在機組壽命周期內安全、可靠性的基礎上進行，符合IEC WT 01 和GB/T 18451.1 標準相關要求。

3.2 運行轉矩優化

在發電機與變頻器之間增加一組轉換柜，用于轉換發電系統的拓撲電路，主控增加與之對應的運行控制與邏輯。依據風況，智慧改變電路拓撲，使風機始終處于最佳發電狀態。變頻器依據主控控制字，改變對應控制算法及運行策略以提升風輪低風速段能量捕獲效率，降低整機機械傳動鏈摩擦損耗和發電機-變流器之間的電磁損耗，從而間接提升風力發電機組的發電能力。

3.3 捕風能力優化

測風裝置通過自適應控制，持續并自動校準偏航上風向，為每臺風機自動更新傳遞函數。利用風向的自然變化根據發電量來感知最佳偏航位置，適當調整偏航對風偏差設定值，提高對風準確度。根據IEC 標準，多數風機的切出風速都設定在了20 ～25m/s，如果根據風力發電機的運行工況與結構特征，將風機的切出風速適當提高，則可以捕獲更多的風能，明顯提升機組發電量，但是，需要對風電機組進行嚴格的疲勞和極限載荷計算，結合葉片變槳角度的變化來控制機組載荷能力的均衡，保證機組的安全運行。

3.4 硬件優化

葉片是風力發電機組的關鍵組成部分。每個葉片都配置一套獨立的變槳系統，機組運行期間，通過風機變槳驅動裝置，調整葉片角度，實現葉片變槳，安全保護和功率控制。利用空氣動力學原理，對風機葉片的氣動優化設計，可以有效降低風力發電機組的載荷，提升風機發電能力。風機在運行過程中，風并非斷橫切風流“推”動風機葉片，而是吹過葉片表面形成葉片正反面的壓差，從而產生升力令風輪旋轉，這與飛機的機翼有相似之處，我們是否可以在飛機機翼設計上獲得靈感來改善風機葉片的氣動性能呢？

飛機機翼上安裝有渦流發生器，它是一種低展弦比小翼段，當襟翼偏轉使襟翼表面上的氣流過分離時，渦流發生器利用旋渦從外部氣流中將風能帶進附面層，加快附頂層內氣流流動，防止氣流過早分離，并且當氣流以一定的迎角流過小翼段時，在一側加速，另一側減速，在小翼段兩側造成壓力差，因而在小翼段的端部生成了很強的翼尖旋渦，所以可以借鑒飛機機翼的空氣學原理，在風機葉片進行簡單的升級改造，安裝類似渦流發生器的低展弦比小翼段。基于葉片的設計和分離區域的外形，通過延遲氣流從葉片分離，可以提升葉片升力，增加發電量。

當然，根據風力發電機的結構和承載能力，安裝葉尖或葉根延長段，適當的延長葉片長度也可以很明顯地提高風機的發電能力。但是，葉片的延遲需要經過嚴格的載荷計算，并經過長時間的安全驗證才能實施，并且由于屬于后期改造，費用也會相對較高。所以對風機發電能力進行硬件的優化除了考慮方案的可行性外，還要考慮風機運行的綜合成本。

4 結語

對風力發電機的發電能力進行系統分析，從硬件和軟件方面尋找提升風力發電機組發電能力的方法，對風力發電機組進行科學的優化升級，以提升機組的發電能力。但是，風電機組發電性能優化需要有嚴格的機組安全性校核分析，綜合分析機組發電能力優化的安全性、有效性和經濟性。