风力发电机组发电性能分析与优化

张金鑫

（华润新能源（东营）有限公司，山东 青岛 257500）

1 风力发电机发电能力评估

风力发电机的等效风能利用小时数是衡量项目发电性能的重要指标，它就是风力发电机年发电量与容量的比值。对于单台机组，它是单台风机年发电量与机组容量的比值。所以可以从分析单台风机的等效风能利用小时数入手。统计单台机组的发电量，将单台机组发电量加上限电、故障、检修等损失电量折算为等效利用小时数，对风电场同型号机组的等效利用小时数进行排序，并将实际风速与等效利用小时数进行对照分析，可以筛选出相同风速条件下等效利用小时数低于平均值的机组。

风机功率曲线是风力发电机组发电能力的最直接体现。所以用功率曲线可以有效地分析风机的健康水平和发电能力。由于受到机组尾流、空气密度、湍流强度等环境因素的影响，风力发电机组在运行过程中的实际运行功率曲线与设计功率曲线可能并不完全匹配，通过综合判断单台风机实际功率曲线与标准功率曲线之间的差异，能有直观地反映出风机发电能力的优劣。我们可以取单台风力发电机一年10 分钟风速和有功功率，结合机组实际功率曲线，推算单台机组的年理论发电量；利用10 分钟平均风速和合同保证的功率曲线，推算单台机组的实测风速年保证发电量，并绘制分布图。分析风电机组实际运行功率曲线计算发电量与合同保证功率曲线计算发电量之间的比值为功率曲线符合度。对机组功率曲线符合度进行排序分析，可以筛选出功率曲线符合度异常机组。

2 机组发电性能排查

2.1 机组软件分析排查

风力发电机组SCADA 是风力发电机组安全稳定运行的监控中枢，它实时记录着风力发电机组的各方面运行数据，随着技术的进步，它记录的数据越来越全面，在运行分析中的作用也越来越大。充分利用风机SCADA 平台，可以非常直观地发现风力发电机组在发电能力方面的异常。

首先，在同一风场，对比同型号机组在相同工况下功率曲线散点，可以发现机组在相同功率曲线模型下，不同风机的功率曲线散点图不同（如图1），可以删选出曲线偏差较大的机组，进行专门的分析。以某风电场1#、2#风机为例，两台风机在相同工况和功率曲线模型下，2#风机功率曲线明显靠下，发电能力低于1#风机。

图1

其次，风力发电机组在运行过程中的发电功率与转速转矩有着直接的关系，它遵循P=Tn/9550 的关系；式中，P 为功率，kWn；n 为转速，r/min；T 为转矩，nm；9550 是计算系数。所以分析风力发电机运行过程中的转速、转矩变化也可以发现运行异常的机组。仍然以某风电场1#、2#风机为列，可以发现机组在同等条件下，转矩的明显不同（如图2）。

图2

风力发电机通过测风装置采集风速与风向，通过偏航系统，调整对风角度，使叶轮能正对来风方向，采集更多的能量。所以，定期对风力发电机组对风偏差进行排查，并及时分析产生偏差的原因，对偏差进行调整，能够有效改善机组的发电能力，提升风力发电机组的发电量。借助风机SCADA 平台，排查机组风速和偏航对风角度散点图，可以分析风力发电机的偏航控制策略是否存在异常（如图3）。

图3

2.2 机组硬件分析排查

风力发电机机舱顶部安装有风速风向仪，跟踪风速和风向的变化，通过偏航系统调整对风角度，使风力发电机处于最佳的迎风角度，当检测到风速达到切入风速时，变桨驱动装置带动变桨轴承转动，使叶片保持最佳的迎风状态，从而使风能转换为电能，所以对于发电效能异常的机组，首先应检查风向标零刻度是否对正对机舱正前方，并在10m/s 以上风速时，动转风向标到90°、180°、270°、360°位置，对比机组SCADA 显示数据是否与机舱位置一致，对一致性较差的测风装置进行更换。其次，排查叶片安装角度和零位角度，在风机SCDAD 显示叶片位置为零度时，检查三支叶片的零度位置标记和轮毂上的零度位置标记是否存在偏差，如果存在偏差也会影响风机的发电能力。

3 机组发电性能提升

3.1 额定功率提升优化

对风机所在风场的气候条件及风机的载荷进行评估，来决定是否可以对风机进行额定功率提升。功率提升可以明显提高发电量，依据类型不同，比例亦有所不同。但是，风电机组进行额定功率提升，必须建立在机组寿命周期内安全、可靠性的基础上进行，符合IEC WT 01 和GB/T 18451.1 标准相关要求。

3.2 运行转矩优化

在发电机与变频器之间增加一组转换柜，用于转换发电系统的拓扑电路，主控增加与之对应的运行控制与逻辑。依据风况，智慧改变电路拓扑，使风机始终处于最佳发电状态。变频器依据主控控制字，改变对应控制算法及运行策略以提升风轮低风速段能量捕获效率，降低整机机械传动链摩擦损耗和发电机-变流器之间的电磁损耗，从而间接提升风力发电机组的发电能力。

3.3 捕风能力优化

测风装置通过自适应控制，持续并自动校准偏航上风向，为每台风机自动更新传递函数。利用风向的自然变化根据发电量来感知最佳偏航位置，适当调整偏航对风偏差设定值，提高对风准确度。根据IEC 标准，多数风机的切出风速都设定在了20 ～25m/s，如果根据风力发电机的运行工况与结构特征，将风机的切出风速适当提高，则可以捕获更多的风能，明显提升机组发电量，但是，需要对风电机组进行严格的疲劳和极限载荷计算，结合叶片变桨角度的变化来控制机组载荷能力的均衡，保证机组的安全运行。

3.4 硬件优化

叶片是风力发电机组的关键组成部分。每个叶片都配置一套独立的变桨系统，机组运行期间，通过风机变桨驱动装置，调整叶片角度，实现叶片变桨，安全保护和功率控制。利用空气动力学原理，对风机叶片的气动优化设计，可以有效降低风力发电机组的载荷，提升风机发电能力。风机在运行过程中，风并非断横切风流“推”动风机叶片，而是吹过叶片表面形成叶片正反面的压差，从而产生升力令风轮旋转，这与飞机的机翼有相似之处，我们是否可以在飞机机翼设计上获得灵感来改善风机叶片的气动性能呢？

飞机机翼上安装有涡流发生器，它是一种低展弦比小翼段，当襟翼偏转使襟翼表面上的气流过分离时，涡流发生器利用旋涡从外部气流中将风能带进附面层，加快附顶层内气流流动，防止气流过早分离，并且当气流以一定的迎角流过小翼段时，在一侧加速，另一侧减速，在小翼段两侧造成压力差，因而在小翼段的端部生成了很强的翼尖旋涡，所以可以借鉴飞机机翼的空气学原理，在风机叶片进行简单的升级改造，安装类似涡流发生器的低展弦比小翼段。基于叶片的设计和分离区域的外形，通过延迟气流从叶片分离，可以提升叶片升力，增加发电量。

当然，根据风力发电机的结构和承载能力，安装叶尖或叶根延长段，适当的延长叶片长度也可以很明显地提高风机的发电能力。但是，叶片的延迟需要经过严格的载荷计算，并经过长时间的安全验证才能实施，并且由于属于后期改造，费用也会相对较高。所以对风机发电能力进行硬件的优化除了考虑方案的可行性外，还要考虑风机运行的综合成本。

4 结语

对风力发电机的发电能力进行系统分析，从硬件和软件方面寻找提升风力发电机组发电能力的方法，对风力发电机组进行科学的优化升级，以提升机组的发电能力。但是，风电机组发电性能优化需要有严格的机组安全性校核分析，综合分析机组发电能力优化的安全性、有效性和经济性。