劉世江，劉作廣，傅杰敏

(新天綠色能源股份有限公司，上海 201204)

0 引 言

經過十幾年的快速發(fā)展，我國風力發(fā)電累計裝機容量已穩(wěn)居世界第一，有望達到3億千瓦左右。

由于環(huán)境變化，裝機5年以上(2015年以前)的裝機機組，很多面臨風資源變差，風速降低的境遇。表1是某風場的平均風速和年利用小時統(tǒng)計，其平均風速尤其是近幾年顯示呈逐年減弱的趨勢，年利用小時同風場初期建設時相比有很大差距，風場處于連年虧損狀態(tài)。

表1 某風場平均風速和年利用小時統(tǒng)計

文中闡述了針對某風場進行的國內首創(chuàng)塔筒增高和葉片加長綜合改造科研驗證。該科研方案可作為已建風場風資源變差的補償解決方案，方案的成功有利于提高存量機組的發(fā)電量，進一步提高風場經濟效益及新能源產業(yè)的社會效益，有利于提高再生能源在系統(tǒng)中的比例，改善能源結構。

1 改造基本原理

風力發(fā)電機是將風能轉換為機械能，機械能轉換為電能的電力設備。風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。風能基本表達公式為：

式中，P為理論風功率；ρ為空氣密度；V為風速；A為風機掃風面積；Cp為捕風效率。

根據(jù)公式，理論風功率和風速的3次方、葉輪掃風面積(葉輪直徑的平方)成正比。正因為如此，提高風速、加大葉片掃風面積是提升風力發(fā)電機發(fā)電能力最有效的方法。

風切變值反映風速在垂直方向上的變化率，切變值越大，高層風速的利用價值越高。風切變指數(shù)直接影響風力發(fā)電機組輪轂高度的確定，同時間接影響風電場建設成本。風切變冪指數(shù)公式的表達式為：

V2=V1*(Z2/Z1)α

式中，V2為高度Z2處的風速(m/s)；V1為高度Z1處的風速(m/s)；α為風切變指數(shù)。

圖1是當風切變指數(shù)α為0.204時的各高程風速曲線，可以看出，風速隨著高程增大而增大，就是說風力發(fā)電機的輪轂高度越高，可以捕獲的風能更多。

圖1 地面高程-風速圖(風切變0.204)

2 科研專題簡述

2.1 風資源分析和風場后評估

對科研驗證風場的不同高度的風資源情況進行綜合分析：使用WT5.3和WindPRO3.2風資源分析軟件，剔除測風塔受風機尾流影響數(shù)據(jù)及無效風數(shù)據(jù)，并對測風塔數(shù)據(jù)進行有效修復，量化風參數(shù)變化和改造后的發(fā)電量預期增量。通過采集風機歷史SCADA運行數(shù)據(jù)進行風場后評估選定試驗機位。

本科研項所選擇風機原始葉輪直徑為77米，擬驗證加長至82.5米，選用國產某品牌的40.3米長度葉片，該葉片適用于葉輪額定轉速17.3米/分，IECII類風速(平均風速7.5米/秒)風區(qū)。

2.2 主控控制策略

新的控制策略采用恒功率控制算法，它基于風機的葉片模型，通過實時地微調槳葉角度追蹤最佳風能利用率(Cp值)來提高低風速下風機的發(fā)電效率和額定風速下風機的滿發(fā)效果，此算法以對應風速下風機的最佳功率值為控制對象，與上一代控制策略的將風機轉速作為控制對象的算法相比，新的最佳捕風效率率控制算法具有控制模型更優(yōu)、轉矩給定更平滑和魯棒性更優(yōu)等特點，舉例如下：

追蹤最佳Cp值(Cp：最佳風能利用率)，在低風速(低于額定風速)的風況下，通過微調槳葉追蹤最佳的風能利用率(相較于將槳葉角度始終固定在0度的算法相比，實際上，此時的0度角并不是葉輪捕獲風能的最佳角度)，譬如：在5 m/s的風況下，新的的恒功率控制算法將槳葉角度調節(jié)到1.7度(而非0度)，此時葉片可以獲得最佳風能利用率：Cp為0.33(葉輪捕獲最優(yōu)風能)；但是，如果采用上一代風機控制算法(槳葉角度始終固定在0度)，則在同樣5 m/s風況下，能夠獲得的Cp值可能只有0.3(0.3<0.33)，根據(jù)風機葉輪所捕獲風能的計算公式：P=1/2A*V3*Cp*D*η，相較恒功率控制算法損失了3%的風能效率。

2.3 風機安全性分析

BLaded軟件是一款由英國FGarrad Hassan and Partnersl.inited 公司開發(fā)的用于風電機組設計的專業(yè)軟件。它適用于陸上和海上的多種尺寸和型式的水平軸風機，進行設計和認證所需的性能和載荷計算。軟件本身的可靠性已通過GL (德國勞埃船級社)認證。日前GH Bladed己被廣泛應用于風機產業(yè)，用戶包括風機及零部件制造商、大學和研究機構、認證機構。

Bladed軟件為用戶提供一個陸上、海上風機性能和負載的設計解決方案。軟件具有基于 Windows 的繪圖用戶界面和在線幫助功能，操作方便，同時風機設計計算采用工業(yè)標準。GH Bladed 支持風載荷和波浪載荷組合計算，采用全空氣彈性和水彈性模型并考慮地震勵磁的影響。GH Dladed 具有多個功能模塊，包括外殼穩(wěn)定性分析，動態(tài)負載模擬、負載與電能獲取分析、批處理和報告自動生成、電網(wǎng)交互以及控制設計的線性化模型。

Blaced 軟件是一個用于風電機組設計與驗證的集成化軟件包，可以提供各種風摸型、控料系統(tǒng)，動力響應等多種綜合模型。可用于風電機組功率分析，載荷計算、風電機組氣動性能分析等。

根據(jù)風資源專題輸出結果，基于待試驗風機原始配置，用Bladed軟件建立風機模型，采用升級后新的控制策略，按IEC 61400-1∶2005(E)規(guī)定進行風機載荷評估。

根據(jù)載荷報告，評估技改后的風機各部件安全性，包括葉片、變槳、傳動鏈、塔筒及基礎等，結合風電場實際部件故障率提出部件/子系統(tǒng)能力加強改進方案。

3 關鍵部件設計

本次科研目標風機為某國內品牌1.5 MW風機，為引進機型，其原始部件具備性能提升的設計余量。在本次科研驗證之前，同款機型已經完成葉輪直徑77米加長至82.5米的科研驗證，驗證時間超過1年。

綜合風場后評估結果和風機安全性分析結果擬定技改范圍，依據(jù)IEC61400系列標準，評估關鍵部件能力，并進行相應的設計、改造及升級。

本次科研關鍵部件設計包括：

(1)塔筒升高設計：將現(xiàn)有風機，保留原高度塔筒段，在塔筒最底部增加一段新塔筒段，連接基礎和原始塔筒。同時，進行塔筒內部新電氣和機械內裝設計。輪轂高度由原始的61.5米提升到77.5米，高度提升26%。

(2)葉片加長設計：用新的82.5米直徑葉片替代原風機的77米直徑葉片，改造后葉輪捕風面積增加14.8%。

(3)主控系統(tǒng)升級：原風機的主控系統(tǒng)采用查表式功率曲線方法，新的主控系統(tǒng)引入功率曲線動態(tài)尋優(yōu)辦法，優(yōu)化載荷，提升發(fā)電能力。

(4) 基礎加強：利用原始基礎，采用基礎局部加強工藝，進行基礎承載能力加強，加強后基礎承載能力提高約30%。

經過系統(tǒng)級別的加強后，使風機薄弱部件能力大幅提升，滿足風力發(fā)電機剩余生命周期的各項要求，達到改造目標。

4 效果驗證

4.1 技改效果驗證的目標

本次技改涉及到葉片加長，需要將技改前后的SCADA風速和實際自由來流風進行函數(shù)修正，以得到風機的實際功率曲線。

由于輪轂高度變化，需要獲得技改前后高度的實際風切變，對比技改前后兩個高程的風速，獲得由于輪轂高度變化，風速增加獲得的發(fā)電量增量。

4.2 風機風速標定

根據(jù)IEC61400-12-2，需要對風機SCADA風速進行標定，得到SCADA風速到實際來流風速間的傳遞函數(shù)。本次技改的風機處于復雜地形條件，為效果驗證增加了難度。為了得到準確的傳遞函數(shù)，根據(jù)IEC61400-12-2 Annex D，在有限條件下，相對準確的推算傳遞函數(shù)。

4.3 測風設備

本次測風采用Molas B300 地面式激光雷達，該產品基于多普勒原理，可實現(xiàn) 40～300 m 風場信息測量，風速測量精度 0.1 m/s，風向測量精度 1°，數(shù)據(jù)更新頻率 1 Hz，風速測量范圍 0～60 m/s，測量溫度范圍-40～50 ℃，相對濕度 0%～100%，滿足現(xiàn)場測量要求。

4.4 測量周期確定

由于風機葉片和輪轂高度技改前后均有變化，測風分成兩次，分別在技改前和技改后進行，每次測風周期一個月。

4.5 激光雷達測量數(shù)據(jù)

測量高層：40 m/50 m/60 m/70 m/75 m/80 m/85 m/90 m/100 m/110 m/120 m/130 m

激光雷達記錄現(xiàn)場測風點的：10 分鐘平均溫度，氣壓的環(huán)境參數(shù)。

每個高層記錄：10 分鐘平均水平風速，水平風向，水平湍流等信息。

在數(shù)據(jù)可信度方面記錄每個高層的信噪比和數(shù)據(jù)可靠性。

4.6 傳遞函數(shù)推導

利用GPS對時系統(tǒng)對風機SCADA和激光雷達進行對時。以相同時刻SCADA風數(shù)據(jù)為自變量，激光雷達風數(shù)據(jù)為因變量，分別按一階函數(shù)和二階函數(shù)進行函數(shù)擬合，當殘差值大于0.95時認為函數(shù)相關性較好。圖三為技改前和技改后擬合的風速傳遞函數(shù)曲線。

圖2 風速傳遞函數(shù)曲線

基于兩次測風結果，得到技改前后兩個不同高度的風頻和葉片加長前后的功率曲線，如圖4所示。

圖3 功率曲線和風頻分布對比

4.7 功率曲線對比

經過風速修正后的功率曲線對比，可以看到風機爬坡段(至額定功率之前)相同風速下的發(fā)電能力獲得了較大提升，也就是通常所說的功率曲線左移；滿發(fā)段技改后能夠達到額定輸出功率，但是技改前未能達到額定輸出功率，說明技改前風機系統(tǒng)存在問題。

5 科研結果

本科研項目歷經安全性和經濟性測算，項目實施和一年期的實際驗證等各個科研階段，驗證結果顯示發(fā)電量提升貢獻分別為：葉片加長9.6%，控制優(yōu)化5.7%，塔筒約為10.8%，綜合提升量大于26.1%。風機改造后持續(xù)穩(wěn)定運行，證明本科研方案安全可靠。

6 結束語

文中闡述了針對某風場進行的國內首創(chuàng)塔筒增高和葉片加長綜合改造科研驗證。

本次科研的主體是將原有風力發(fā)電機進行葉片加長及塔筒增高綜合技改，結合主控系統(tǒng)升級研發(fā)、新塔筒段研發(fā)、風機基礎能力加強。

本次科研采用激光雷達測風方式進行風機SCADA風速校正，進而驗證葉片加長造成的功率曲線變化和輪轂提高引起的風頻分布變化。

本次科研的成功有利于提高存量風力發(fā)電機的風電利用率，進一步提高風場經濟效益及新能源產業(yè)的社會效益，有利于提高再生能源在系統(tǒng)中的比例，改善能源結構。可有效改善老舊風場的發(fā)電量落后局面，通過提升風能利用率使老舊風場煥發(fā)青春濟建設中發(fā)揮更大的作用。