風電機組能效分析及優化研究

劉保松，張 偉，張樂平，許新瑞

（華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030）

全球氣候變化嚴重影響到人類生存環境，在此背景下，風電作為清潔的可再生能源，受到了世界各國的高度重視并得到快速發展，截至2020年底，我國風電裝機規模達2.81億kW。但由于工期緊、規模大等原因，導致風電機組投運后存在能效偏低、發電效益差等問題，因此如何提升風電機組能效對促進風電行業發展具有重要的影響。

1 風電機組能效分析

1.1 風電機組功率曲線分析

將SCADA秒級數據的風速、功率，計篩除異常數據后，采用標準GB/T 18451.2—2021《風力發電機組功率特性測試》中的方法，將風速按1 m/s劃分區間，根據下式對每一風速區間的風速平均值和輸出功率平均值。

式中：Vi為第i個區間的平均風速，m/s；Vn，i，j為第i個區間內第j個數組的風速，m/s；Pi為第i個區間的平均功率，kW；Pn，i，j為第i個區間內第j個數組的功率，kW；Ni為第i個區間內10 min平均數據的數組個數。

根據風場提供的8臺風電機的SCADA歷史運行數據等資料，對風電機組運行數據進行信息挖掘和處理，根據合同及相關標準，對風電機組功率曲線一致性進行分析。

由圖1可見，在低于12 m/s的風速段，各風機的功率曲線均低于保證功率曲線。由此判斷風機能效未能充分發揮，風機控制存在一定的問題（偏航系統、變槳系統、變流器性能及控制策略存在問題）。

圖1 各風機功率曲線

1.2 偏航性能分析

以風向與機艙位置的夾角——錯風角為評估風電機組偏航性能的指標。通過對錯風角-功率圖的對比分析，可以對全場風電機組偏航性能評估。將各風機正常并網狀態下進行錯風角分區間，為-14～-10°、-10～-6°、-6～-2°、-2～2°、2～6°、6～10°及10～14°，求取各錯風角區間的功率平均值，其中錯風角為0°表示正對風，此時功率平均值高于其他錯風角區間功率平均值，表示風機的對風效果好。

從圖2中可以發現，無論調整前后，均有部分機組的平均功率最高值未落在-2～2°區間內。風機在2～6°或者-6～-2°區間內，偏航對風有一定的誤差。

圖2 各機組功率與錯風角趨勢圖

1.3 變槳性能分析

1.3.1 分析風機是否存在提前變槳情況

選取本風場功率曲線一致性較好#4風機與功率曲線一致性較差的#7、#8風機進行以下分析。通過對機組SCADA數據進行處理，得到相應功率-槳距角變化圖，分析風機是否存在提前變槳、3支槳葉是否同步等問題，從而對風電機組變槳性能進行評估。

由圖3可見，#7、#8風機在1 150 kW左右就開始變槳，存在一定程度的提前變槳，可能對機組出力造成影響。進一步分析風速-槳距角，對比機組相同風速下的平均槳距角，分析機組是否通過風速來控制變槳。

圖3 風機槳距角-功率曲線圖

1.3.2 分析風機是否存在槳距角不一致情況

分析#7風機槳距角隨時間變化情況，對風機的3個槳距角隨時間變化趨勢作圖。

由圖4可知，3個槳距角隨時間變化時完全重合，認為#7機組槳距角之間不存在偏差。

圖4 #7風機槳距角-時間曲線圖

1.4 控制參數分析

（1）分析風機轉速-功率設定是否合理。剔除機組的限功率數據后，計算各轉速段的功率平均值，對比分析相同轉速下的功率值。

由圖5可見，在相同轉速下，不同風機有功功率幾乎完全一致，判斷為功率與轉速參數調整得較好，控制穩定。

圖5 風機有功功率-電機轉速曲線圖

（2）分析轉速-轉矩設定是否合理。剔除限功率數據后，分析風機的轉速-轉矩散點分布圖，查看各階段的控制策略是否穩定及風機的控制參數設定。

由圖6可見，在相同轉速下，3臺風機轉速-轉矩控制特性相近，#7風機在高轉速情況下轉矩分布更散，控制穩定性較弱。根據散點圖所示，在額定風速以下，扭矩變化率較低，在滿發前的過渡段，轉速-轉矩散點離散度較大，說明轉速-轉矩匹配關系不穩定，控制參數設置不夠合理。

圖6 風機轉矩-轉速散點圖

1.5 葉尖速比分析

分析風機的最佳葉尖速比追蹤控制。剔除風機的限功率數據后，分析風機在各個風速下的葉尖速比散點圖，判斷風機的最佳葉尖速比追蹤控制是否穩定，不同風機之間是否存在偏差。

由圖7可以看出，#8風機在5～8 m/s風速區間內，風速-葉尖速比數據分布較散，表明在最佳葉尖速比追蹤段存在控制不穩定的問題。

圖7 風機葉尖速比-風速散點圖

2 結論與建議

通過以上分析，該風場存在的主要問題為：①各風機的實際曲線均低于保證功率曲線；②除#6風機外，其余風機錯風角在2～6°或者-6～-2°區間內，偏航對風存在一定的誤差；③#7、#8機組在1 150 kW左右就開始變槳，存在一定程度的提前變槳；且該機型是依據風速來作為槳距角控制的啟動條件，影響風機變槳控制性能；④在滿發前的過渡段，轉速-轉矩散點離散度較大，說明轉速-轉矩匹配關系不穩定，控制參數設置不夠合理；⑤最佳葉尖速比追蹤段存在控制不穩定等問題，從而導致該風場能效偏低。針對上述問題，提出以下建議。

2.1 葉片零位校正

根據能效分析結果，發現不同風機之間的功率曲線差異較大。當葉片零位存在偏差時，影響葉片的翼型，導致葉片的氣動性能下降，從而風機吸收的風能偏低，因此建議對各風機開展葉片零位校正工作。

通過手動變槳操作，調整葉片0位刻度線與變槳軸承0位刻度線對齊，登入控制系統修正葉片槳距角。

2.2 雙PI及智能算法優化

目前風機采用的控制方法是查表法，由主控程序中給定的靜態轉速-轉矩表進行控制。查表法較容易實現，但控制響應慢，控制精度較低。在風頻變化較大時，容易產生偏差，并引起風機的振動。

雙PI控制：在并網轉速和額定轉速附近采用PI控制，并網轉速和額定轉速之間采用跟蹤最佳尖速比控制的控制策略，能夠實現風能的轉換效率最大化，使風電機組能夠最大程度地吸收風能，從而優化風機的功率曲線和提升風機的發電量。

采用雙PI控制方法后，主控PLC軟件功率控制功能塊采用了轉矩控制和變槳控制相耦合的方式。在風速遠小于額定風速以下時，通過轉矩控制以維持最佳葉尖速比，以追求最大風能利用系數；在額定風速以上拐點處，如果風速波動很大，就要通過適當的變槳來實現平滑的過渡。在額定風速以上階段，變速和變槳控制器也是同時發揮作用，通過變速即控制發電機的轉矩，使其恒定，從而恒定功率。通過變槳來調整發電機的轉速，使得其始終跟蹤轉速設置點。實際上，變速變槳通過簡單的PI控制器（如查表法）就可以實現，但是額定風速以上風機系統模型的強烈非線性使得控制器參數選擇比較困難，需要特別設計。變速、變槳2個控制器是同時運行的，為了使其耦合在一起，當在遠遠超過額定風速或以下時使其中一個或另一個控制環飽和。因此，在大多數時間里還是只有一個控制器處于激活狀態，但是在接近額定點時其可以建設性地相互作用。

2.3 變槳控制優化

（1）在功率輸出環節，轉矩給定中增加傳動鏈阻尼，減小傳動鏈震蕩；變槳角度控制環節，添加非線性變槳動作，防止大陣風時候的過速情況，延長風機壽命。

（2）風速槳距角控制策略。多臺風機在未到額定功率時，變槳過早動作，使風機額定風速變大，可考慮調整控制策略，取消根據風速大小給定槳距角的控制方法，采用雙PI進行轉矩及槳距角的控制。

本文通過SCADA數據詳細分析了偏航、變槳等控制性能，分析風電機組能效偏低的原因，并給出了針對性優化方案，實際應用過程中還應結合技改成本及效益進行選擇。