［摘 要］文章對風電機組葉片梯級利用改造進行了研究，旨在通過葉片更換提升風電機組的發(fā)電性能。將原葉片替換為長度更長的新型定制化葉片，同時保持其他部件正常工作。為應(yīng)對葉片增長帶來的載荷增加，實施了變槳驅(qū)動系統(tǒng)升級和主控程序的優(yōu)化。升級后的變槳電機及變頻器能更好地支持長葉片的運行，而優(yōu)化的主控程序?qū)崿F(xiàn)了控制算法的升級，融入了主控降載技術(shù)，并與新型傳感系統(tǒng)集成，以適應(yīng)更嚴苛的運行環(huán)境。

［關(guān)鍵詞］風電機組；葉片更換；技改方案；變槳驅(qū)動；主控程序

［中圖分類號］TM315 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0161–04

在全球可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對氣候變化的背景下，風能作為一種清潔、可再生的能源，其重要性日益凸顯。隨著風電機組技術(shù)的不斷發(fā)展，葉片作為風力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其性能優(yōu)化和梯級利用成為了提升風能設(shè)備能效、延長使用壽命以及推動資源循環(huán)利用的重要研究方向。文章旨在通過風電機組葉片的梯級利用改造，實現(xiàn)風電機組性能的提升，同時確保結(jié)構(gòu)安全，為提高能源利用效率和推動風電產(chǎn)業(yè)的綠色增長提供新的解決方案。

1 葉片更換及機組部件載荷分析

1.1 葉片更換對機組部件載荷的影響

葉片更換作為風電機組梯級利用改造的核心環(huán)節(jié)，對機組的載荷分布和設(shè)備安全至關(guān)重要。葉片增長直接導致葉輪直徑的增加，從而影響到風電機組的氣動載荷、慣性載荷和動態(tài)載荷。這些載荷的改變會反映在輪轂、主機架、塔筒、基礎(chǔ)等關(guān)鍵部位，可能超出原有的設(shè)計承載能力，因此進行詳細的載荷分析與評估是改造項目的關(guān)鍵步驟。

通過更換長葉片，增加原風輪的捕風面積，提高低風速時段機組的功率，從而提高機組的年發(fā)電量。相比葉尖加長、加裝渦流發(fā)生器等其他增功方式，更換長葉片的增功效果更加顯著，同時易于進行安全性評估和控制策略調(diào)整。

風機發(fā)電功率計算公式如下。

式中，P為發(fā)電功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3；V為風速，m/s；A為風機葉片掃掠面積，m3；Cp為風能利用系數(shù)。

由式（1）可知，對于特定風電場來說，其空氣密度、風速等環(huán)境因素是不可人為改變的。在設(shè)計葉片更換技改方案時，需根據(jù)實際風場風資源及機組整體健康狀態(tài)來進行定制化設(shè)計，在保證機組安全性的前提下實現(xiàn)電量提升的目的。

隨著葉輪直徑的增加，風輪捕獲的風能面積增大，風力作用在葉片上的力也隨之增強，導致輪轂和主機架的拉伸、壓縮以及扭轉(zhuǎn)載荷增加。此外，葉片的重量分布變化會影響扭力和彎矩，可能對輪轂的連接強度提出更高要求。輪轂作為葉片與主軸的連接點，其承載能力必須得到充分保證，否則可能導致葉片脫落的嚴重后果。

葉片增長帶來的風輪質(zhì)量增加，將使主機架承受更大的靜載和動載，特別是偏航和變槳運動時，對主機架的剛度和強度提出了更高要求。主控程序的優(yōu)化有助于降低這些載荷，通過主控降載技術(shù)，能夠有效控制主機架的應(yīng)力水平，保證其在合理范圍內(nèi)。

塔筒作為風電機組的支撐結(jié)構(gòu)，其設(shè)計必須能夠抵抗由葉片增長引起的更大風壓和動態(tài)載荷。塔筒彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷的增加，需通過結(jié)構(gòu)分析和強度校核，確保塔筒在新增載荷下的安全系數(shù)。塔筒底部的連接部分，如基礎(chǔ)和塔筒法蘭，也需要重新評估和設(shè)計，以確保不發(fā)生疲勞損傷或過早失效。

同時，葉片長度的增加會改變?nèi)~片的慣性矩，從而影響到齒輪箱和主軸承的載荷。齒輪箱輸入扭矩的增大，會導致主軸承的旋轉(zhuǎn)和徑向載荷也相應(yīng)增加。因此，齒輪箱的設(shè)計應(yīng)考慮適應(yīng)這種變化，而主軸承的潤滑和冷卻系統(tǒng)需要進行相應(yīng)的優(yōu)化，以防止過熱和過早磨損。

變槳驅(qū)動系統(tǒng)和變頻器的升級是應(yīng)對葉片增長的關(guān)鍵。大功率的變槳電機和變頻器能夠支持長葉片的穩(wěn)定運行，減少旋轉(zhuǎn)不平衡和振動帶來的額外載荷。而優(yōu)化的主控程序不僅提高了控制效率，還能夠?qū)崟r調(diào)整變槳策略，以進一步降低載荷，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

通過載荷計算和仿真分析，可確保在葉片更換后，關(guān)鍵部件的承載能力得到保障，不會因新的運行工況而超出設(shè)計極限。同時，通過對相關(guān)部件的優(yōu)化和升級，機組在應(yīng)對葉片增長帶來的挑戰(zhàn)時，能夠保持結(jié)構(gòu)安全，實現(xiàn)性能的提升。這些分析結(jié)果為葉片替換方案的實施提供了科學依據(jù)，也為后續(xù)的控制策略優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，確保改造后的風電機組具備長期穩(wěn)定運行的能力。

1.2 技改可行性分析

在葉片更換及機組部件載荷分析的基礎(chǔ)上，進一步探討技改方案的可行性，確保改造不僅在性能上有所提升，而且在結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性上也達到最優(yōu)。技改的可行性可從以下幾個方面進行評估。

（1）早期設(shè)計余量。早期的風電機組設(shè)計通常較為保守，以確保在極端工況下的安全運行。實際運行中的風速通常低于設(shè)計風速，這意味著葉片增長后，盡管載荷有所增加，但許多關(guān)鍵部件仍留有較大的安全余量。因此，葉片更換在不影響結(jié)構(gòu)安全的前提下，能夠充分利用這些設(shè)計余量提升性能。

（2）新型葉片設(shè)計。定制化葉片采用輕量化設(shè)計，通過優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)，減輕了新增長度帶來的額外重量，從而降低了對主機架、塔筒及其他關(guān)鍵部件的載荷。這有助于保持原設(shè)計承載能力的平衡，降低升級成本，同時提高風能轉(zhuǎn)化效率。

（3）控制系統(tǒng)優(yōu)化。升級后的變槳驅(qū)動系統(tǒng)和主控程序能夠更好地適應(yīng)長葉片的運行特性。優(yōu)化的控制算法融入主控降載技術(shù)，使得風電機組在面對更高的負載時，能夠更智能地調(diào)整運行策略，降低過載風險，增強了系統(tǒng)應(yīng)對嚴苛運行環(huán)境的能力。此外，新型傳感系統(tǒng)的接入為精確控制提供了數(shù)據(jù)支持，進一步確保了機組的穩(wěn)定運行。

（4） 載荷計算與結(jié)構(gòu)分析。通過嚴格遵循IEC61400-1《風力發(fā)電機設(shè)計要求》標準進行初步載荷計算，以及對輪轂、主機架、塔筒等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)分析，確認了1.5 MW 機組82 葉片更換為95 葉片改造方案可行性。這些計算確保了在更換長葉片后，所有部件的載荷水平均在設(shè)計范圍內(nèi)，從而保證了整個風電機組的安全性。更換新型葉片后的機組載荷初步分析結(jié)果見表1。

表1 各載荷校核情況說明各機組均符合更換新型葉片的要求，且該技改方案已經(jīng)獲得了中國質(zhì)量中心的第三方認證。

雖然技改投入可能增加初期成本，但通過葉片更換和性能優(yōu)化，機組的發(fā)電效率將得到顯著提高。這將帶來長期的經(jīng)濟收益，包括增加的電力輸出和降低的維護成本。從長遠來看，技改項目的投資回報率值得肯定。

政府的《指導意見》以及資金的投入，為改造的實施提供了資金保障和政策支持。這不僅降低了的財務(wù)風險，還為技術(shù)創(chuàng)新和綠色低碳轉(zhuǎn)型提供了直接動力。

2 機組技改方案

2.1 變槳驅(qū)動系統(tǒng)升級

在葉片梯級利用改造項目中，為了應(yīng)對長葉片帶來的額外載荷和運行工況變化，對變槳驅(qū)動系統(tǒng)進行升級是必要的步驟。

升級后的變槳驅(qū)動系統(tǒng)包含大功率的變槳電機和性能更優(yōu)的變槳變頻器。大功率的變槳電機具備更強的驅(qū)動力，能夠在長葉片產(chǎn)生的更大慣性矩和阻力下保持穩(wěn)定的工作，確保葉片能夠準確、快速地調(diào)整到最優(yōu)的槳距角。通過主控降載技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r感知風電機組的運行狀態(tài)，并根據(jù)需要調(diào)整槳距角，以減輕載荷，確保機組的穩(wěn)定運行。

通過這一系列的升級，變槳驅(qū)動系統(tǒng)不僅能夠支持長葉片的高效運行，還能夠在保證葉片安全的情況下，最大限度地提升風能的捕獲與轉(zhuǎn)換效率。這不僅優(yōu)化了風電機組的性能，同時也為葉片梯級利用改造項目的成功奠定了堅實的基礎(chǔ)，使得風電機組能夠在保持結(jié)構(gòu)安全的同時，實現(xiàn)發(fā)電能力的顯著提高。

2.2 主控程序優(yōu)化

2.2.1 控制策略優(yōu)化

主控程序定制化設(shè)計的主要目為使用監(jiān)督學習、大數(shù)據(jù)分析等方法，將風電機組大量的運行數(shù)據(jù)和外部獲取的信息，對外部的環(huán)境、風機的運行狀態(tài)以及其他參數(shù)特征，生成機組畫像，對風機及其部件的性能進行測評和輸出相應(yīng)的控制策略，使風機實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)運行策略和適應(yīng)不同的外部條件變化，進而使風機具有自我進化的能力，不斷的依據(jù)自身的狀態(tài)與外部環(huán)境進行智能降載調(diào)節(jié)，以提升機組的穩(wěn)定性、發(fā)電能力。

基于實際風場機組模型進行仿真和驗證，結(jié)合風場級大數(shù)據(jù)的分析與建模，設(shè)置主控程序定制化設(shè)計優(yōu)化，依據(jù)二次設(shè)計葉片的氣動性能，調(diào)整機組起機、并網(wǎng)、脫網(wǎng)等相關(guān)邏輯，設(shè)置最優(yōu)葉尖速比轉(zhuǎn)矩控制，保障二次設(shè)計機組實現(xiàn)最優(yōu)功率輸出，顯著提升機組發(fā)電能力。

根據(jù)機組關(guān)鍵部件的性能如發(fā)電機、齒輪箱、變頻器的運行狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整機組額定功率設(shè)定值。添加箱變溫控傳感器，實時監(jiān)測箱變?nèi)嗬@組溫度。依據(jù)關(guān)鍵部件的溫度設(shè)定安全閾值，機組關(guān)鍵部件溫度低于安全閾值，機組滿發(fā)進行自適應(yīng)調(diào)整超發(fā)有功輸出，從而提高機組的發(fā)電能力。

廠群控制能夠自動接收調(diào)度主站系統(tǒng)下發(fā)的有功控制指令或調(diào)度計劃曲線，根據(jù)計算的可調(diào)裕度，優(yōu)化分配調(diào)節(jié)風機的有功功率，使整個風電場的有功出力，不超過調(diào)度指令值；向調(diào)度實時上傳當前AGC系統(tǒng)投入狀態(tài)、增力閉鎖狀態(tài)、減力閉鎖狀態(tài)、運行模式、電場生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息；能夠?qū)﹄妶龀隽ψ兓蔬M行限制，具備1 min、10 min 調(diào)節(jié)速率設(shè)定能力，具備風機調(diào)節(jié)上限、調(diào)節(jié)下限、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)時間間隔等約束條件限制，以防止功率變化波動較大時對風電機組和電網(wǎng)的影響；確獲取調(diào)節(jié)裕度、控制策略算法合理、保障風電機組少調(diào)、微調(diào)。

2.2.2 新型降載技術(shù)應(yīng)用

機組經(jīng)過二次開發(fā)升級，葉片等部件發(fā)生變更。使用最新的降載控制策略，機組的載荷會發(fā)生變化，需對機組的載荷重新進行計算，以評估機組各部件的安全性和使用壽命，從而保證機組正常發(fā)電。

（1）實施模型辨識測試，校準機組模型，并通過依次啟停多項功能性控制邏輯，對比前后運行效果，評估關(guān)鍵控制邏輯的效果。

（2）依據(jù)校準后的機組模型和工況設(shè)置，結(jié)合二次開發(fā)升級版的控制器，按照IEC61400-1 2005《風電機組設(shè)計要求》相關(guān)標準進行機組的載荷計算，計算機組的載荷情況。

2.2.3 變槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)定升級

變槳系統(tǒng)的安全可靠直接關(guān)系機組安全，原有變槳邏輯無法識別并處理葉片軸承老化導致的卡槳問題；無法解決變槳系統(tǒng)過載不可復位故障問題；無法實時監(jiān)測變槳力矩狀況，以更快地發(fā)現(xiàn)變槳關(guān)鍵故障，充分保證機組的安全。

針對上述問題，在匹配變槳變頻器、變槳電機參數(shù)的基礎(chǔ)上，新增變槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)定制化設(shè)計，在保證機組安全的同時，提升機組可利用小時數(shù)以及機組發(fā)電量。

搭載與變槳變頻器、變槳電機參數(shù)相匹配的變槳程序與主控程序，程序在匹配硬件的同時，新增變槳安全性控制策略，能夠更好地保證機組的安全，具體如下。

（1）新增全面自檢功能。現(xiàn)有機組在自檢過程中葉片只轉(zhuǎn)過部分角度來測試是否存在機械隱患，存在檢測盲區(qū)，無法充分暴露問題。新增全面自檢功能在充分考慮各方面條件，保證安全的前提下，進行全工作范圍的檢測，如果有安全隱患，可提前報出，以便及時維護。

（2）新增靈敏度選擇功能。通過虛擬屏對變槳力矩靈敏度進行選型，該功能能夠?qū)C組變槳系統(tǒng)現(xiàn)狀進行提前識別。同時添加小力矩報警功能，能夠通過報警頻率推斷葉片軸承等硬件運行狀況，使現(xiàn)場能夠更精準地發(fā)現(xiàn)需要維護的機組，而不是全場盲目統(tǒng)一維護。

（3）新增變槳過載保護功能。當PLC 檢測到變槳變頻器嚴重驅(qū)動過載時間太長時，將會提前識別出，并優(yōu)化執(zhí)行策略，使機組能正常順槳，防止飛車情況的產(chǎn)生，保證機組正常運行。

2.2.4 智能檢測和故障診斷

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，安裝合適的傳感器，如振動傳感器等，對于更多的狀態(tài)進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸至中控室，進行存儲。結(jié)合風機的運行大數(shù)據(jù)，開發(fā)一套智能檢測和故障診斷系統(tǒng)，主要具備以下功能。

（1）通過配備在線或者離線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以及其他的智能傳感器，采集機組重要部件的運行數(shù)據(jù)。

（2）將數(shù)據(jù)存儲在中控室，或者在云端，并進行數(shù)據(jù)聯(lián)合和一定程度的清洗及標準化工作。

（3）建立一套智能監(jiān)測和故障診斷平臺，對于機組重要部件，如葉片、塔筒、基礎(chǔ)和傳動鏈進行全狀態(tài)的監(jiān)測。使用分析平臺進行數(shù)據(jù)分析，對于有問題的機組進行預(yù)警，并提出解決方案。

（4）利用風機運行大數(shù)據(jù)，對于風機的功率曲線、可利用率，各種溫度指標、機組主要KPI 指標等進行動態(tài)分析，提前發(fā)現(xiàn)機組可能存在的問題。

（5）使用多種平臺進行結(jié)果展示，如報告、網(wǎng)頁系統(tǒng)或移動端系統(tǒng)等。

（6）基于多年的故障處理經(jīng)驗和主控中的故障發(fā)生機理，提供一套故障處理專家系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可有效的指導現(xiàn)場人員開展故障消缺工作，提高機組可利用率，從而增加風電場的發(fā)電收益。

3 結(jié)束語

在本研究中，深入探討了風電機組葉片梯級利用改造的必要性、挑戰(zhàn)與解決方案。通過在全球可持續(xù)發(fā)展背景下的分析，明確了葉片優(yōu)化對提升風能設(shè)備能效和推動資源循環(huán)利用的重要性。在保持結(jié)構(gòu)安全的同時，通過定制化長葉片、變槳驅(qū)動系統(tǒng)升級和主控程序優(yōu)化，實現(xiàn)性能提升的可能性。

風電機組葉片梯級利用改造在技術(shù)、經(jīng)濟和政策層面上均具有可行性和現(xiàn)實意義。通過科學的葉片更換策略、關(guān)鍵部件的優(yōu)化升級，以及智能控制系統(tǒng)的集成，可提高風電機組的能效和結(jié)構(gòu)安全。本研究不僅可為現(xiàn)有風電機組的升級提供實用指導，也可為未來風能產(chǎn)業(yè)的綠色增長和技術(shù)進步奠定堅實的基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷進步和政策的持續(xù)支持，風電機組的葉片梯級利用改造將為全球的能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對氣候變化作出更大貢獻。

參考文獻

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