胡湘濤,張晉磊,向宗原
(大唐涼山新能源有限公司,四川 普格 615300)
隨著我國風(fēng)力發(fā)電裝機容量的不斷升高,并網(wǎng)風(fēng)電的波動性及反調(diào)峰性給電力系統(tǒng)穩(wěn)定帶來了巨大影響。拓展風(fēng)力發(fā)電機組的可利用風(fēng)速范圍、提高風(fēng)力資源的利用空間、維持風(fēng)力發(fā)電機組(以下簡稱風(fēng)機)出力的持續(xù)穩(wěn)定,是當(dāng)前風(fēng)電行業(yè)研究的重要課題。對高于設(shè)計切出風(fēng)速運行的風(fēng)機進行降容增效,是繼加長葉片、增加機組額定功率等方式之外的另一項提高風(fēng)能汲取和轉(zhuǎn)換效率的途徑。在完備的保護措施下,風(fēng)機在高于設(shè)計切出風(fēng)速的一段區(qū)間內(nèi)可降低機組出力繼續(xù)運行,從而在提高自身發(fā)電效益、拓寬機組的可利用風(fēng)速范圍,為維持風(fēng)電場并網(wǎng)出力穩(wěn)定作出了貢獻[1]。
大唐??陲L(fēng)電場位于海拔3 400~3 600 m的四川省涼山州高原山地上,裝機容量50 MW,由17臺FD108型(設(shè)計切出風(fēng)速為25.0 m/s)和8臺FD116型(設(shè)計切出風(fēng)速為20.0 m/s)雙饋型風(fēng)機混排組成。2018年5月底,最后一批風(fēng)機已并網(wǎng)發(fā)電。為挖掘風(fēng)電機組的發(fā)電潛力、提高設(shè)備可利用率,提出了風(fēng)機高風(fēng)速下降容增效的研究課題,通過參照FD108型風(fēng)機的運行方式,以FD116型風(fēng)機為對象進行研究和論證,使FD116型風(fēng)機在風(fēng)速處于20.0~25.0 m/s之間時(高于20.0 m/s后不停機),降低機組負(fù)荷繼續(xù)運行,從而提高風(fēng)電場發(fā)電效益、拓寬風(fēng)電機組的實際可發(fā)電風(fēng)速范圍(見表1)[2]。由滿負(fù)荷停機改為降負(fù)荷運行,一定程度上減小了風(fēng)電場并網(wǎng)出力的波動,為保持電網(wǎng)穩(wěn)定做出了貢獻。
當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向、風(fēng)速如圖1所示。當(dāng)FD116型風(fēng)機在20.0~25.0 m/s風(fēng)速下降容運行時,風(fēng)速高于設(shè)計切出風(fēng)速,通過降低設(shè)定功率(如圖2所示)降低機組出力,使機組在滿足載荷要求、保障安全運行的情況下,在高于原設(shè)計切出風(fēng)速的工況下不再停機,而是通過查找降容風(fēng)速功率表確定當(dāng)前設(shè)定功率,使機組保持并網(wǎng)運行,提高發(fā)電量。風(fēng)機保護邏輯定值見表2,風(fēng)機降容運行的控制邏輯設(shè)計如圖3、圖4所示[3]。
表1 區(qū)間風(fēng)速為20.0~25.0 m/s的機組發(fā)生小時數(shù)Tab.1 Number of hours within 20.0~25.0 m/s wind speed
圖1 風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖(m/s)
Fig.1 Wind rose diagram(m/s)
圖2 FD116機型設(shè)定功率曲線
Fig.2 Power curve of FD116 generator
選取了關(guān)鍵部件的極限載荷和疲勞載荷,將機組降容運行載荷與風(fēng)機運行設(shè)計載荷進行對比,確保降容運行時的機組載荷在設(shè)計的安全范圍內(nèi)。
Fig.3 Gale shutdown logic of wind turbine
圖4 風(fēng)機回切并網(wǎng)運行邏輯
Fig.4 Wind turbine back-cut grid operation logic
分別選取Mxy,Myz作為葉根、靜態(tài)輪轂、旋轉(zhuǎn)輪轂和偏航軸承在x-y向與y-z向的極限載荷,分析結(jié)果見表3。降容運行時的關(guān)鍵部件載荷小于正常運行載荷,機組運行在設(shè)計安全范圍之內(nèi)。
表3 極限載荷對比結(jié)果Tab.3 Ultimate load comparison results
選擇載荷系數(shù)m=4,x向、y向、z向的疲勞載荷為Mx,My,Mz,對關(guān)鍵部件進行對比分析,結(jié)果見4。
表4 疲勞載荷對比結(jié)果Tab.4 Fatigue load comparison results
結(jié)合表3、表4,暴風(fēng)期間降容運行后極限載荷與疲勞載荷低均于正常運行載荷的設(shè)計值,機組降容運行無安全風(fēng)險。
機組降容運行能夠有效提升發(fā)電量。以年平均風(fēng)速為6.5 m/s的發(fā)生時間為例,對降容增效后的??陲L(fēng)場進行年新增發(fā)電量的估算(見表5),風(fēng)電場在生命周期內(nèi)可新增收益約108 362.4元。
風(fēng)機高于切出風(fēng)速的降容增效的實施,拓寬了風(fēng)電機組的可利用實際可發(fā)電風(fēng)速范圍,減小了風(fēng)電場對電網(wǎng)的波動范圍,為風(fēng)電機組保持電網(wǎng)穩(wěn)定作出了貢獻,提高了風(fēng)電機組的競爭力。
表5 ??陲L(fēng)電場年新增發(fā)電量和收益的估算Tab.5 Estimation of increasing power generation and revenue in Haikou Wind Farm
經(jīng)過論證和研究,設(shè)置適當(dāng)?shù)墓β手噶睿o以組態(tài)完備的并經(jīng)過測試試驗的保護邏輯,使運行風(fēng)機的各部件的極限和疲勞載荷都在機組設(shè)計的安全范圍之內(nèi),風(fēng)電機組在高于設(shè)計切出風(fēng)速下進行降容運行是安全可行的。
降容運行增加了風(fēng)電機組的發(fā)電量,提高了風(fēng)電機組的可利用時間,也為風(fēng)電場保持并網(wǎng)出力穩(wěn)定做出貢獻,今后可以成為風(fēng)電場提效增發(fā)的一個重要研究發(fā)展方向。