楊明明

(華潤(rùn)電力技術(shù)研究院，廣東 深圳 518002)

中國(guó)風(fēng)電行業(yè)迅猛發(fā)展，截止至2019年6月，全國(guó)累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.93億kW。從2019年6月全國(guó)電力裝機(jī)來(lái)看，火力發(fā)電占比62.8%，水力發(fā)電占比16.8%，風(fēng)力發(fā)電占比10.5%，風(fēng)電成為中國(guó)的第三大能源來(lái)源，其對(duì)于中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)改善、能源安全、綠色發(fā)展的意義重大。因此，針對(duì)已經(jīng)投運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電性能評(píng)估、技術(shù)改造、性能優(yōu)化等相關(guān)工作的意義凸顯，更加值得關(guān)注[1-2]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效益優(yōu)劣的決定性因素，是風(fēng)電機(jī)組的基本性能評(píng)估的重要指標(biāo)[3]。目前行業(yè)內(nèi)通過(guò)單臺(tái)機(jī)組的功率曲線測(cè)試來(lái)評(píng)估全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組是否達(dá)到設(shè)計(jì)值的方法無(wú)法全面評(píng)估全場(chǎng)機(jī)組性能，氣象和環(huán)境條件以及風(fēng)電場(chǎng)中的排布均對(duì)機(jī)組性能有著較大影響[4]。本研究旨在通過(guò)機(jī)艙傳遞函數(shù)(NTF)[5]，結(jié)合各風(fēng)電機(jī)組SCADA系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，高效準(zhǔn)確地對(duì)全場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行功率曲線進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)保證率K值來(lái)評(píng)估機(jī)組的發(fā)電性能，并對(duì)異常風(fēng)電機(jī)組提出相關(guān)優(yōu)化方案或建議，這對(duì)于提高機(jī)組效能，改善發(fā)電場(chǎng)發(fā)電效益具有重要意義[6]。

1 分析方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 機(jī)艙風(fēng)速傳遞函數(shù)

根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基于機(jī)艙風(fēng)速計(jì)法的功率特性測(cè)試》GB/T 33225-2016[7],機(jī)艙傳遞函數(shù)(NTF)旨在利用機(jī)艙前的測(cè)風(fēng)塔或者激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)與機(jī)艙風(fēng)速的相關(guān)性進(jìn)行函數(shù)擬合，通過(guò)傳遞函數(shù)進(jìn)行風(fēng)速修正。

將同時(shí)段的機(jī)艙前測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和機(jī)艙風(fēng)速數(shù)據(jù)按扇區(qū)進(jìn)行篩選，剔除受障礙物影響扇區(qū)及無(wú)效數(shù)據(jù)后，再按Bin法進(jìn)行分區(qū)處理，分區(qū)分段計(jì)算機(jī)艙傳遞函數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：Vnacelle,i、Vnacelle,i+1為區(qū)間i和區(qū)間i+1中機(jī)艙風(fēng)速的區(qū)間平均值；Vfree,i、Vfree,i+1為區(qū)間i和區(qū)間i+1中機(jī)艙前測(cè)風(fēng)儀器風(fēng)速的區(qū)間平均值；Vnacelle為機(jī)艙風(fēng)速實(shí)測(cè)值；Vfree為采用實(shí)測(cè)機(jī)艙風(fēng)速和機(jī)艙前實(shí)測(cè)風(fēng)速估算并針對(duì)地形引起的氣流畸變修正后的自由流風(fēng)速。

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

某風(fēng)場(chǎng)25臺(tái)WTG2000-104機(jī)組2018年11月至2019年10月SCADA系統(tǒng)的10 min平均風(fēng)速和功率以及機(jī)組參數(shù)。

激光雷達(dá)2019-04-20日-2019-07-14日80 m高10 min平均風(fēng)速，風(fēng)向。

2 分析與計(jì)算

2.1 機(jī)艙函數(shù)擬合

某平原風(fēng)電場(chǎng)共有25臺(tái)額度功率2 000 kW，風(fēng)輪直徑為104 m的WTG2000-104風(fēng)電機(jī)組，D34(海拔40 m)機(jī)位西南側(cè)250 m處布置激光雷達(dá)1號(hào)(海拔40 m)進(jìn)行傳遞函數(shù)推導(dǎo)，機(jī)位與雷達(dá)相對(duì)位置如圖1所示。

根據(jù)GB/T 33225-2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)各扇區(qū)進(jìn)行自我一致性檢驗(yàn)，從圖2中可以看出干擾扇區(qū)[0°,100°]和[300°,350°]受障礙物影響，激光雷達(dá)與機(jī)艙風(fēng)速的比值出現(xiàn)大幅波動(dòng)，對(duì)以上扇區(qū)數(shù)據(jù)予以剔除，對(duì)剔除后數(shù)據(jù)采用Bin法計(jì)算各風(fēng)速段的均值繪制機(jī)艙傳遞函數(shù)，機(jī)艙傳遞函數(shù)曲線見(jiàn)圖3。

圖2 自我一致性核查圖

圖3 機(jī)艙傳遞函數(shù)圖

2.2 風(fēng)機(jī)性能評(píng)估

對(duì)收集到25臺(tái)風(fēng)電機(jī)組2018年11月-2019年10月的10 min平均風(fēng)速和功率進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，從圖4可以看出，風(fēng)電場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)中存在大量異常數(shù)據(jù)點(diǎn)。導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常的原因有計(jì)劃外停機(jī)、棄風(fēng)限電、風(fēng)速傳感器失靈、通信設(shè)備故障、電磁干擾、風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)、極端天氣情況、風(fēng)機(jī)葉片污垢或受損等因素。這部分點(diǎn)對(duì)Bin法有較大影響，為增加分析結(jié)果的可靠性，對(duì)上述點(diǎn)位進(jìn)行剔除[8-9]，剔除后的功率散點(diǎn)圖如圖5。

圖4 數(shù)據(jù)篩選前的功率曲線散點(diǎn)圖

圖5 數(shù)據(jù)篩選后的功率曲線散點(diǎn)圖

利用機(jī)艙傳遞函數(shù)對(duì)機(jī)艙風(fēng)速進(jìn)行修正，并根據(jù)GB/T 33225-2016標(biāo)準(zhǔn)對(duì)修正后風(fēng)速與功率按Bin散點(diǎn)進(jìn)行功率曲線計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行繪制，結(jié)果如圖6。

圖6 風(fēng)電各機(jī)位運(yùn)行功率曲線圖

通過(guò)計(jì)算各機(jī)型功率曲線的實(shí)際保證率評(píng)估機(jī)組是否達(dá)到設(shè)計(jì)性能。各機(jī)組的實(shí)際保證率K[10]為場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)頻和運(yùn)行功率曲所計(jì)算年發(fā)電量與場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)頻和承諾功率曲線所計(jì)算發(fā)電量的比值。場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)頻分布見(jiàn)圖7，對(duì)各發(fā)電機(jī)組的K值進(jìn)行分布圖繪制，成果如圖8。

圖7 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)頻分布圖

圖8 運(yùn)行機(jī)組K值分布圖

K值越大，表明機(jī)組發(fā)電性能越好。當(dāng)K值低于95%(廠家承諾值)，即機(jī)組未達(dá)標(biāo)，需重點(diǎn)考慮其性能優(yōu)化，以提高風(fēng)場(chǎng)收益。從圖8中可以看出D26、D30、E42、F43、F45、F46、F47和F50的K值低于95%的保證值，其中D26、F46和F47偏離幅度較大，最小K值僅80%。

2.3 影響風(fēng)機(jī)性能因素分析

針對(duì)D26、F46和F47機(jī)組運(yùn)行功率曲線與保證功率曲線之間出現(xiàn)較大偏差，進(jìn)一步對(duì)其運(yùn)行工況進(jìn)行分析。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同的運(yùn)行工況下，為追尋最佳性能，槳距角和轉(zhuǎn)速應(yīng)遵循相應(yīng)控制策略(見(jiàn)圖9)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行一般存在5種工況，即起動(dòng)區(qū)、最大風(fēng)能追蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)、恒功率區(qū)、停機(jī)區(qū)[11-12]。風(fēng)機(jī)在最大風(fēng)能追蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)、恒功率區(qū)的控制策略如下。

圖9 運(yùn)行工況槳距角與轉(zhuǎn)速的變化曲線圖

1)最大風(fēng)能追蹤區(qū)。風(fēng)速處于切入風(fēng)速以上，但發(fā)電機(jī)未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。該區(qū)域內(nèi)實(shí)行最大風(fēng)能追蹤控制的變速運(yùn)行，此風(fēng)速區(qū)間，槳距角=0°。

2)恒轉(zhuǎn)速區(qū)。發(fā)電機(jī)已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，但風(fēng)速未達(dá)到額定值。此時(shí)輸出功率繼續(xù)上升，通過(guò)轉(zhuǎn)速控制，使風(fēng)力機(jī)組處于恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)，但不對(duì)槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)，槳距角=0°。

3)恒功率區(qū)。風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速。隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)力機(jī)輸出功率不斷增大，此時(shí)，需在轉(zhuǎn)速控制的基礎(chǔ)上增加功率控制，調(diào)節(jié)槳距角，控制風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的吸收，使輸出功率不超過(guò)額定值。此區(qū)域風(fēng)電機(jī)組處于恒轉(zhuǎn)速、恒功率運(yùn)行狀態(tài)，0°<槳距角<90°。

從圖10～圖12可以看出D26、F46和F47機(jī)組在各運(yùn)行工況區(qū)控制策略表現(xiàn)不佳，具體如下：①3～8 m/s最大風(fēng)能追蹤區(qū)，D26、F46和F47機(jī)組槳距角大部分時(shí)段保持在5°以下，但當(dāng)風(fēng)速處于3～5 m/s低風(fēng)速段時(shí)，槳距角出現(xiàn)大量離散點(diǎn)，部分時(shí)段槳距角達(dá)到20°，風(fēng)機(jī)出現(xiàn)頻繁的變槳?jiǎng)幼?，機(jī)組無(wú)法獲得最佳的風(fēng)能利用系數(shù)Cp，主要原因在于機(jī)組的變槳控制策略無(wú)法應(yīng)對(duì)隨機(jī)風(fēng)速波動(dòng)對(duì)變槳控制的影響，波動(dòng)較大的低風(fēng)速段無(wú)法實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。②8～10 m/s恒轉(zhuǎn)速區(qū)，發(fā)電機(jī)組處于恒轉(zhuǎn)速，機(jī)組風(fēng)速尚未達(dá)到額度風(fēng)速，槳距角呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)，變槳系統(tǒng)的過(guò)早啟動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)無(wú)法保持最佳葉尖速比，這也是影響機(jī)組性能的重要因素[13-15]。

圖10 D26機(jī)組風(fēng)速與槳距角、轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

圖11 F46機(jī)組風(fēng)速與槳距角、轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

圖12 F47機(jī)組風(fēng)速與槳距角、轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

3 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組功率曲線是評(píng)估風(fēng)電機(jī)組性能的重要指標(biāo)，決定了風(fēng)場(chǎng)的效益。通過(guò)機(jī)艙傳遞函數(shù)(NTF)能高效計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)所有機(jī)組的功率曲線，根據(jù)運(yùn)行功率曲線計(jì)算實(shí)際保證率K值來(lái)判斷異常風(fēng)電機(jī)組。本風(fēng)電場(chǎng)68%的風(fēng)電機(jī)組保證率K值達(dá)到廠家承諾的保證率(95%)，32%風(fēng)電機(jī)組的K值低于承諾值。通過(guò)對(duì)異常機(jī)組的運(yùn)行工況分析發(fā)現(xiàn)其變槳策略有待優(yōu)化，經(jīng)常出現(xiàn)提前變槳?jiǎng)幼?，偏離了最佳葉尖速比，降低了機(jī)組性能。