风力发电机组发电性能分析与优化

唐应才

（广西龙源风力发电有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

近年来，随着人们能源需求量的逐渐增加，风力发电具有清洁、环保效益好、可再生、装机规模灵活、运行维护成本低等优点，受到广泛应用，风力发电技术也得以快速发展[1-2]。基于此，文章对我国风力发电发展现状进行了分析，并从风力发电机组容量大型化、增加海上风力发电所占比重、风力发电向智能化控制转变等方面，对风力发电行业发展趋势进行了研究。

1 风力发电机组性能概述

风力发电技术是一种清洁、环保的可再生能源，国家对该项技术给予大力支持，已经发展成为技术最成熟、前景最广阔的技术手段。其中分布式电网中使用的小型风力机具有结构简单、安装灵活的有点，在实际发展中得到广泛应用。风力机中风轮和发电机是决定风力机性能的两个最主要的部件，从目前的发展水平来看，风力涡轮机的空气动力学优化和发电机的效率有了很大的发展，但是由于两者之间的电磁匹配特性之间存在问题，导致风力机的发电效率较低。对独立风轮空气动力特性或独立发电机性能的研究是目前研究热点的方向，而对风轮和发电机之间对应关系的研究有许多不足之处，更加强调了瑞士的控制策略赵润提出并验证了最大功率跟踪计划的有效性，该方案以最佳电磁转矩给定作为理论依据。在此方案的基础上，TRIPATHI等提出了最优特性曲线法、峰值速度比控制法、最优转矩控制法和最大功率控制法，如扰动/提升观测算法。HEYDARI 等人将这两种方法的优缺点与35kW 风力发电系统进行了比较。最后，将损耗转矩的情况考虑在内，对两种方法取长补短，计算损耗转矩与电机角速度的关系，提出更为科学合理的最大风能控制方法用于给定发电机最佳电流。

风功率曲线的变化趋势取决于风力发电机组功率和风速，反应了不同的风速对发电机组产生电能能力的影响，在评价风力发电机组发电性能优劣及风功率预测中发挥着重要作用。而由于弃风限电、通信设备故障、极端天气、叶片污染和风速传感器失灵等原因，实际测量数据中存在大量不符合风力发电机组正常输出特性的异常点，异常数据的识别和剔除是获得风功率曲线的重要步骤，IEC61400-12-1 中关于异常数据剔除做出了明确规定：用于分析的数据均应该是在风力发电机组正常运转情况下采集的，为了确保数据没有损坏，应当排除以下情况中的数据集：①除风速外的外部条件超出了风力发电机组的工作范围；②由于风力发电机组故障状态导致的无法运转；③风力发电机组被手动关机或者处于测试或维修操作状态；④测试设备故障或者性能退化（例如，叶片结冰和污染等）；⑤风向超出了规定的测量扇区。国内外研究学者对风功率异常数据剔除、风功率曲线建模做了大量研究，风功率曲线建模的精度不断提升。而风力发电机组的运行数据中蕴含更多信息，除了需要将正常数据与异常数据区分开外，还需要将异常数据产生的原因进一步识别，通过对异常数据的分析来判断发电机组的运行状态。风力发电机组运行状态的识别对风电检测工作具有重要的意义，同时，机组运行状态识别结果可以用于排除IEC61400-12-1 中规定的5 种数据集，获取风功率曲线。

2 我国风力发电发展现状

风力发电的工作原理：风动能→机械动能→电能，属于再生能源开发的范畴。简单来说，就是在风的作用下，带动风轮转动，从而将风能转换为动能，在发电机的作用下，再把动能变为电能输出到电网。该过程需要空气动力、智能控制、机械、电机多个相关的专业技术的支持。由于该过程利用风能，没有各种燃料的燃烧，因此风力发电是一种绿色、环保、可持续的再生能源。常规的风力发电系统主要包括风轮、传动结构、控制装置、发电机、支撑结构等。从发电机组系统结构细分，又可分为恒速及感应发电、变速恒频双馈式发电、变速同步发电三种类型，这三种类型在不同领域均发挥重要作用。在传统化石能源大量使用导致全球气温变暖的背景下，风力发电技术的开发与应用受到各国重视，资金投入逐年增加，很大程度上也促使着风力发电技术的提高和发展。但是，当前风力发电技术还存在一定的问题，需要予以关注。

2.1 机组单机容量方面

要使风力发电机组的单机容量有所提高，我们可以从降低生产成本和提高发电效率两方面入手。风力发电技术的发展趋势是提高效率和降低成本，需要不断增加风力发电机组的单机容量。就目前风力发电机组单机容量方面来看，已经从最初的600kW 提升至10MW。然而，根据风力发电机组设计总体状况，我国风力发电机组的单机容量还没有达到满足荷运转要求，其理论知识与实践发展之间还存在较大差距。

2.2 机组设备控制方面

机组设备控制是保证风力发电机组高效运行的前提。但是，目前风力发电机组设备安装地点优先考虑的是风力资源，经常面临一些比较恶劣的环境，如边远山区、无人荒漠、海上等地区，风力大小很容易受到外界环境因素的影响。正是由于风力的这种不稳定性，风力发电机组设备往往需要远程监控，需要风力发电机组设备具有可靠、稳定的自控系统。因此，应当进一步对风力发电机组设备的控制系统进行深入研究，面向电子化、自动化、智能化方向，进行技术开发。从当前技术手段来看，定桨距型风力机组和变速恒频风力发电机是使用范围最大的两种风力发电机组，两者相比，定桨距型风力机组具有性能可靠控制简单的优点，但是其转速容易受到电机输出功率的影响，输出电压受风机转速影响明显，关键部件容易磨损，就会造成效率低下。相对于定桨距型风力机组来说，变速恒频风力发电机组有着更为稳定的输出功率，性能更为优良，受到风叶转速影响较低，自动运行过程较为稳定，是近年来研发的一种新型风力发电机组设备。

2.3 机组安全性能方面

风力发电是把风力资源转变为电力资源的技术，与传统能源利用相比，其应用时间相对较短。在传输、并网技术、自动控制等专业技术研究上的上升空间较大，并且风力发电在安全性能方面还存在一些问题。例如，风力发电管理不规范、装机后运行不稳、机组停运等。因此，应当针对发电机组的安全运行进行研究，消除存在的各种安全隐患，提高风力发电机组运行的安全性，确保风力发电的安全、稳定。

3 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的过程中，实际运行功率与设计功率可能存在不吻合的地方，这就需要与标准功率曲线作为依据，分析单台风机实际功率曲线的异同点，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10min 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10min 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。计算实际运行功率曲线的发电量与保证功率曲线的发电量，通过对两者数据进行比值分析功率曲线符合度。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。

4 机组发电性能排查

4.1 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不同，如图1 所示。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 不同风机的功率曲线散点

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 所示。

图2 同等条件下转转矩变化结果

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。

4.2 机组硬件分析排查

在风力发电机机舱顶部安装风速风速计，跟踪风速和风向的变化，通过偏航系统调节风向角，使风力发电机处于最佳迎风角，当风速达到切入风速时，变桨驱动装置带动变桨轴承旋转，使叶片保持最佳迎风状态，从而将风能转化为电能。因此，对于发电效率异常的机组，首先要检查风向标的零刻度是否在机舱正前方。风速在10m/s 以上时，将风向标转到90°、180°、270°、360°，对比机组SCADA 显示数据与机舱位置是否一致，一致性差的测风装置更换。其次，检查叶片安装角度和零位角度。当风机的SCDAD 显示叶片位置为零时，检查三个叶片的零位标记与轮毂上的零位标记是否有偏差，如果有偏差，也会影响风机的发电量。

5 风力发电机组发电性能提升

5.1 大型化风力发电机组容量

在相同规模的风力电场下，风力发电机组的发电效率、运行成本在很大程度上取决于机组的功率和单机容量，风力发电技术的不断优化改进为行业的发展带来了巨大的经济效益，提高发电效率，不断研究大型化的风电机组，以提高单机容量，提升风能的转化效率。同时，大型化、大容量的风力发电机组，还能在利用同等土地范围内，有效捕捉更多的风能，从而节约土地资源。因此，我国风力发电行业应在不断进行技术创新和改进的基础上，加强对风力发电技术的研究，呈现出面向机组大型化、大容量方向发展的趋势。

5.2 向智能化控制转变以

5G、互联网、数字化、信息化为代表的智能化技术，是制造业发展的未来方向。在此背景下，我国风力发电行业发展逐渐向智能化控制方向转变。无论是在风力发电机组设备运行控制、管理，还是技术开发，机组设计、制造、生产上，都需与智能化进行融合，积极引入大数据分析、5G、人工智能等技术。利用智能化控制管理，提高风力发电的运维质量和控制精度，提升风力发电运行的自动化水平。用智能化技术驱动风力发电技术创新，提高风力发电的运行效率，并节约运营成本。同时，统筹管理发电资源和电网负荷，实现风力发电与其他发电技术的优势互补，全面提升风力发电的技术水平。

5.3 硬件优化

风力发电机组中最关键的组成部分就是叶片，叶片配有独立的变桨系统。在机组运行的过程中，风机变桨驱动叶片角度的调整，以此达到叶片变桨的目的，从而有效的对机组进行安全保护和功率控制。要提高风机的发电能力，需要对风机叶片的气动进一步优化设计，降低机组载荷，这对空气动力学的研究应用提出了更高的要求。风机在运行过程中与飞机的机翼有相似之处，都是通过风吹过叶片表面，在叶片正反两面行程压力差，从而产生风轮旋转的动力，既然风轮转动的动力来源于机翼有相似之处，我们就可以对风机叶片进行改造，在风机叶片上安装类似涡流发生器的装置，通过防止气流过早分离，加速附顶层内气流流动，从而产生更大的动力。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。

5.4 运行转矩优化

发电机和变频器之间增加一组转换柜，对发电系统的拓扑电路进行转换，主控增加相应的运行控制和逻辑。根据风力情况，智能改变电路拓扑，使风机始终处于最佳发电状态。根据变频器的主控制字，改变相应的控制算法和运行策略，提高风力发电机在低风速下的能量捕获效率，降低整机机械传动链的摩擦损耗和发电机与变频器之间的电磁损耗，从而间接提高风力发电机的发电能力。

5.5 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，通过改变叶片变桨的角度来达到控制机组载荷能力的目的，从而使机组能够安全运转。

6 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。