浅析大型风电场发电运行提质增效技术

2021-04-26韩常仲

中国设备工程 2021年8期

韩常仲

（国华（呼伦贝尔）风电有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021000）

2019 年，我国的风力发电装机容量达到了2574 万千瓦，其中云南、广州风电利用小时数都超过了2600 小时以上，可见风电发展迅猛。然而，风力发电因为季节、风速、设备、线缆、技术等影响导致电场的设计发电目标很难达成，其发电运行提质增效一直都是热门话题。笔者将目前最关注的风向矫正技术、叶片捕能效率提升技术、最优转速控制策略方法、双馈-鼠笼电机双模控制技术、优化改进润滑技术、铝合金线缆和母线槽应用分别介绍，希望对此类工作有所帮助。

1 影响大型风电场发电效率的因素

（1）环境因素：其中最重要的便是季节变化导致的温度、湿度、气压、扰动气流等对风力发电机的影响。例如，温度、湿度综合作用导致的风电电机叶片腐蚀，空气流动速度过小导致发电能力降低等。

（2）设备因素：机组对风策略存在偏差或风向信号误差引起，机组风轮无法垂直迎风，降低风能吸收，增加设备疲劳载荷；叶片捕获风能效率，主要影响因素有叶片气动参数与风况不匹配、叶片安装角度偏差、叶片污染和叶片结冰覆霜，影响叶片气动性能；机组机械部件润滑不良，导致机械磨损损耗增加，能量转换效率降低；线缆以及母线质量不佳，例如，铜芯电缆导电性能差，会导致一部分电能转化为热能流失，从而降低了输出功率；设备运行稳定性差，可利用率降低，导致风资源利用系数较小。

（3）技术因素：技术约束、网架因素导致的弃风电量，弃风电量越大，风电场损失越大，因此，如何减小弃风电量成为我国风电场最为关注的技术话题。

（4）人为因素：主要指的是风电场技术人员水平对发电效率的影响。目前，我国风电场技术人员综合水平与国际风电场工作人员综合水平相比存在较大差距。技术性、职业素养、思想道德等都需要进一步提升。

2 风电场发电运行提质增效策略

2.1 积极缓解环境影响

风力发电机组是将机械能，即风能转化为电能的设备，风力带动机组风轮旋转，然后，通过增速机给发电机增速，来实现发电目的。一般情况下，风速3.0m/s 便可以轻易使得风轮旋转，对外输送功率。这其中风速、方向、温度、湿度等形成综合影响，会作用于叶片影响其发电效率。其中风向一般来说影响较小，因为风力发电机系统有风向追踪系统，能够动态改变风电机组对风角度，但若是风向追踪系统发生故障，风电机组就失去了风向捕捉功能，发电效率自然下降。另外，发电机组周围环境如气温、湿度、气压等存在早晚较大波动，直接导致发电机组的发电效率也会出现相应的明显的改变。为了应对这样的环境影响，研究人员要建立合理的控制策略，要对风电机组进行很好的动态控制。需要积极地测量环境气温、湿度、气压等有关参数，凭借这些数值来调整策略，要确保扭矩最适合，这样才能使风轮转速和叶尖速比达到最佳状态。这样的处理可以使得风力发电机组能更好地吸收风能，有效地提高风力发电机输出功率。可以融入地面垂直光雷达设备，该设备具有精准的空气气温、湿度、风速、风向、湍流、气压等测量能力。该设备对于0 ～80 米范围内的风速都能做到正确显示，最大精度达到了0.01m/s。只是该设备一般主要用在了海上风力资源评估，能够很明显地减少海上测风塔的投资成本。

2.2 大力提升设备发电效率。

2.2.1 纠正机组对风偏差

（1）精确测量风速。风机功率曲线指的是“风机风速——风机功率”的关系曲线。如果风速测量不准确，必然影响功率曲线。机组功率控制优化，首先，要考虑风速传感器特性和风速传递特性的影响，如采用数字信号脉冲风速传感器，核对风速仪增益和偏移参数，风机主控系统中正确配置不同传感器参数，采用模拟信号风速传感器信号类型选配与主控采集模块量程一致。

①机组风速仪参数的设置。

数字脉冲式风速仪的风速计算公式如下：

式中，Gain 为风速仪增益；f 为风速仪测量频率；Offset为风速仪偏移。

②参数对风速的影响。

如果风速仪参数设置错误，将会引起测量误差偏大，影响最优控制策略。如表1 所示将某品牌风速仪参数按照其他厂家参数设定，会出现明显偏差。

表1 风速参数对实测风速影响

可以看出，当实际风速10m/s 左右时，测量值会出现0.5m/s 左右的偏差，而实际风速20m/s 左右时，测量值会出现1.5m/s 左右的偏差。

图1 不同风速参数实测风速对比分析图

（2）纠正风向偏差。风向标安装倾斜，会影响风机的风能吸收系数。如果仅从扫风面积考虑，相当于通过风轮的扫风面积减小，如果风向标偏差角度为ϕ，则实际扫风面积为：SA=S·cosϕ，所以需要精确安装风向标对提升机组发电效率至关重要。当然，风向偏差同时也影响了叶片的风能吸收效率。

检查风向标底座0 刻度。手动将风向标风标对正底座0 刻度，在机舱面板观察相对风向是否为0°左右。风向标零刻度可能存在偏斜，即0 刻度本身不准确，则按照实际的0 位置进行安装。

检查风向标是否工作正常。手动将风向标风标180°背对底座0 刻度，在机舱面板观察相对风向是否为±180°左右。来回晃动风向标，观察数值变化是否正确。

图2 风向标偏斜对功率的影响

可以看出，风向偏差5°时，效率降低1%，风向偏差达到10°时，效率将降低4%以上。

2.2.2 优化调整控制策略

风力发电机组中自然风能吸收的功率：

风力发电机机组输出的功率：

式中，ρ 为空气密度，kg/m3；S 为风轮扫风面积，m2；U为风速，m/s；Cp 为风能利用系数；λ 为叶尖速比；β 为叶片桨距角，rad/s；η 为机组效率，包括机械效率、电气效率。

由公式（1）、（2）可知，要提升单机发电量，就需要提升机组从风能中吸收的功率和风力发电机的输出功率。对于已投入运行的风场，在不增加和更换机组硬件的情况下，主要从风能利用系数和机组效率方面优化。

风能利用系数是叶尖速比λ 和桨距角β 的函数。风能利用系数的最优控制就是通过控制算法追踪最佳叶尖速比控制实现。如图3，当桨距角维持不变，机组在最佳叶尖速比时，风能利用系数最大。

图3 风能利用系数Cp 与叶尖速比λ 关系

通过优化控制算法，实现风能利用系数最大化，控制算法的优化如下：（1）低风速时实现恒转速控制，目标转速为最小运行转速。（2）中风速时追踪最佳Cp 控制，实现捕获最大风能。（3）较高风速时实现恒转速控制，目标转速为额定转速，尽量使叶轮转速维持在额定转速，以提高叶尖速比，向最佳Cp 靠近。（4）额定风速以上实现恒功率控制，限制发电机功率输出。

2.2.3 提升叶片捕获风能效率

2.2.3.1 桨叶角度检查

图4 叶片角度对Cp 和λ 影响关系

如图4 所示，影响风电机组风能吸收系数的主要因素为叶尖速比（tip speed ratio[TSD]）λ 和桨叶角度，当桨叶角度为0°，且运行于最佳叶尖速比时机组具有最大的风能吸收系统Cpmax。

所以，为了让风机更好地吸收风能，达到最大的效率，必须做到：①叶片的精准调零，使风机运行在叶片0°；②使风机按照最佳的叶尖速比运行；③如果叶片实际0°大于设计0°，则会出现功率一直偏小，满发风速偏大的问题；④如果叶片实际0°小于设计0°，也会出现功率一直偏小，满发风速偏大的问题。但如果实际0°偏差过大，在风机满发风速附近可能会出现更加严重的问题：功率波动，软件超速，甚至硬件超速的现象。

2.2.3.2 改变叶片气动性能

在役的机组，无法改变叶片选型背景下，如何不降低叶片气动性能或提升叶片气动性能，是业界内广泛关注的内容。可以从两个方面加强叶片气动性能，一是定期检查维护叶片，及时修复叶片表面损伤区域，避免叶片污染或受损增加风阻；二时升级改造叶片，通过叶根加长、叶尖加长或后缘加装扰流器等方式来改变叶片气动性能，提升叶片捕获风能效率，提高机组发电量，切实起到增功提效。

2.3 优化改进润滑技术

润滑系统是风电机组的重要组成部分，而各润滑油泵（主轴油泵、变桨油泵、发电机油泵）是机组润滑系统的关键设备，其是否正常工作关系着各轴承（主轴轴承、发电机轴承、变桨轴承）是否能正常运行。润滑油泵损坏后，轴承将无法得到充分有效的润滑，长此以往，轴承将受到不可逆损坏，最终导致下架更换，造成高额的更换费用和长时间的停机。

润滑系统的维护难点在于缺少相应的故障点位，即便润滑系统发生了相应的故障，也不能及时通知运维人员进行有效的处理。在对风电场内风电机组进行了详细的研究和讨论后，结合风电场的实际情况，开发出了在线式润滑监测系统，以实现对主轴系统、变桨系统和发电机系统的润滑监测。

本系统采用西门子200 SMART PLC 作为控制器，具体的电路图如图5。

图5

F-主控模块送出主轴油泵动作状态；

L、L1、L2-电流互感器开关状态；

T37、T38、T40、T41-时间继电器；

C0、C1、C2、C3、C4、C5-计数器；

Q0.1、Q0.2、Q0.3-状态输出信号。

（1）Q0.1-主轴润滑油泵状态

正常运行时：主轴油泵运行，主控送出信号，F 动作，油泵电机动作。同时，线路中L 电流互感器开关感应到电流动作，Q0.0 状态为0。

故障时：当出现故障时，主控送出状态信号，F 动作，由于开关电源损坏，油泵电机不动作。线路中L 电流互感器开关感应不到电流不动作，Q0.0 的状态为1，同时，保存此时Q0.0 的状态。

变桨油泵、发电机油泵的动作由其内部定时电路板决定（暂定运行6.5min，间隔24h，可根据不同润滑系统进行更改）。

（2）Q0.2-发电机油泵状态

T37 为内部设定的时间继电器，设定时间为4.5min，之所以设置为4.5min 而不是6.5min，是为了确保在PLC 时间与主控时间存在误差时消除误报警。T40 为设定的延时继电器，延迟1min。用C0、C1、C2 计数器的组合作为系统时钟，由L1 控制刷新，用来启动T37，与L1 的状态无关

正常情况：L1 动作代表系统正常，L1 信号由电流互感器开关发出。当L1 动作时，T40 开始计时，1min 之后T40 动作，同时，T37 动作。此时Q0.2 状态为0。4.5min 后，T37 状态变为0，此时Q0.2 状态为0。6.5min 后，L1 信号消失，此时，Q0.2 状态为0。每当L1 动作，C0、C1、C2 依次开始计数，总时长24h7.5min。故障情况：当出现故障时，L1 不再动作，在L1 上次动作时启动的C0、C1、C2 依次计数运行至24h7.5min 时，启动T37。此时，T37 状态为1，L1 状态为0，Q0.2 动作，状态为1，并保持。

（3）Q0.2-变桨油泵状态

与发电机油泵的运行系统同理，可以根据需要进行修改。

风电场的机械故障是所有问题中最难处理的故障，机械故障具有修复难、停机时间长、维修费用高的特点。轴承损坏的所造成的故障占机械故障的大多数，而轴承损坏的根源大多集中在润滑不良上。润滑系统技改针对现场润滑系统的实际运行情况和故障原因，有效地解决了因润滑系统故障所造成的轴承润滑不良。

润滑系统技改后，主控系统可以跟随润滑系统作出相应的调整，为润滑系统开通相应的点位并设置报警信息，就会在润滑系统出现故障时，第一时间通知检修人员进行相应的处理。保证在第一时间对故障的润滑系统进行检修，确保各轴承有良好的润滑效果。

同时，技改后的润滑系统具有死区控制、防止误触发及运行时间校正等功能。防止由于机组上电、更滑油泵和油泵运行时间与实际时间有差别等造成的误报警，提高润滑系统运行的可靠性。本系统可以根据各种机型的技术要求，进行相应的参数修改，以符合各种机型的需要。

2.4 降低线缆损耗

线缆方面建议选择铝合金材质。主要是此类线缆造价、使用便捷度、维护相对铜芯电缆来说有很大的优势。首先，生产厂家总结了之前单独铝材质抗腐蚀性差，铝中加入稀有金属以及稀土，尤其是稀土具有的弥补表层缺陷、细化晶粒作用提升了线缆的质量；其次，铝的电极电位负移，赋予线缆阳极效应，让线缆局部腐蚀可能性降低；此外，铝合金线缆具有以下特点：能够有效对抗高热、过载，保证线缆的电流稳定，具有很高的柔韧性，能够随意弯曲，这对于线端子对接来说，提供了很大的便利；还具有较高的延展性，对抗外部拉伸能力和铜芯线缆相差无几。不停电设备电源线缆之外，其他的所有线缆都可以采用铝合金线缆，其能够有效降低电能损耗，从而有效降低成本。另外，在低压供电系统中，母线槽具有传输以及分配电能作用，其载流量以及安全度高，在工程配电设计上以及安装上简单易行特点。该材料用于风力发电中的主要原因是：风力电塔高度一般为50 米左右，和电网并网的变压器却处在塔底，发电机定子、转子回路到到变压器这个过程需要输配电干线连接供电。

2.5 互通有无，提升技术水平

笔者认为，需要积极地利用互联网来和国外先进经验对接，彼此互通有无，提高技术水平。也可以专门和电力专业高校合作，专门就弃风电量展开研究，找到导致其居高不下的技术因素以及网架因素，能够针对性改良电网设计方案。例如，2018 年全国范围内弃风电量为277 亿千瓦时，和2017 年相比降低了142 亿千瓦时，全国范围内弃风率7%。该数据较比2017 降低了5%。这意味着我国会因此而节省大量的成本。弃风电量集中发生在内蒙、新疆、甘肃等地。另外，对于已建电场，积极进行偏航误差矫正是提升发电水平的主要技术手段。通过对以往的风场测试得知，机组存在的偏航误差处在2°～7°，样本风场项目的偏航误差都处在3°左右。而且现有的资料证明，7°偏航误差会导致2%电损。最常用的矫正设备是激光雷达矫正设备，其精度高操作简单，运行成本低。

2.6 做好日常维护，提升技术人员技术能力和职业素养

风力发电场的的提质增效主要在于日常设备维护，而该项工作对技术人员有着很高的要求，除了技术外，还需要拥有良好的道德素养。这样才能保证日常维护工作的顺利开展。日常要求技术人员能够正确“看”“听”，能够正确动手操作。所谓看，就是能够观察线缆电路是否存在松动、位移；电缆是否漏电或者出现严重磨损，元件是否产生了明显的放电情况；发电机和轮毂接地碳刷是否接触良好；观察液压站中的压力表数值是否在标准值内；齿轮等传动组成是否出现明显磨损。所谓听，指的是能够通过双耳来倾听控制柜中是否出现放电，若是出现对应的声音说明存在接触不良，需要详细检查。另外，需要认真观察齿轮箱、轴承是否异常，闸盘闸垫间是否出现异常声响。动手操作则是指工作人员可以通过切实行动来检验设备，例如，对叶片收桨展开测试防止其失效，能够检验润滑系统、液压系统功能保证其处在正常状态，对发生的不良状况具有对应的处理能力。需要工作人员作为日志并展开内部交流，能够总结经验提升技术水平。

2.7 电场日常管理、库房管理工作要到位

需要积极地改良电场日常管理水平，因为日常管理关乎人、财、物、信息的管理，只有很好做好这些工作，才能确保整个电场健康可持续发展。为了实现全体人员有效工作，需要推出科学系统的考核机制，确使所有人能够积极提升自己能力做好本职工作，降低运行成本，提升电场效益。其中库房备件的管理十分重要。这是因为一般风电场远离居住区交通并不是非常顺利，一般备件若是断档，物流发送到位，也需要五天以上甚至于更长时间。这就要求库房必须结合信息化技术做好具体的管理工作，保证备件的及时供应以及有效库存量。笔者认为，其中结合日常故障形成数据库管理总结出损耗最大的元件，这样可以提升备件储备能力。