【摘 要】 隨著我國雙碳目標(biāo)的提出與電力需求增長的雙重推動下，風(fēng)電、光伏等可再生能源將迎來爆發(fā)式大規(guī)模增長。隨著技術(shù)發(fā)展與迭代，客戶對風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電性能和可靠性要求越來越高，對在役風(fēng)電機組發(fā)電能效更加關(guān)注，如何提高風(fēng)電機組發(fā)電效率成為行業(yè)首要關(guān)注點和競爭的關(guān)鍵點。本文從降低故障率、提高可利用率和提升機組發(fā)電性能方面深入剖析大型發(fā)電機組增能提效方法，經(jīng)仿真和實際應(yīng)用驗證，這些方法可切實提高風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率。

【關(guān)鍵詞】 風(fēng)力發(fā)電組 發(fā)電效率 增功提效 降低故障率

作者：國電南京自動化股份有限公司 王云濤 倪維東 王永鋒

來源：《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》2024.06 、《第十屆中國風(fēng)電后市場交流合作大會論文集》

引言

隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出，新能源行業(yè)走上了迎來快速發(fā)展的高速通道。風(fēng)力發(fā)電作為新能源重要組成部分，國內(nèi)風(fēng)電機組裝機總?cè)萘坎粩嘣鲩L，截至2022年12月底，全國風(fēng)電累計裝機達(dá)到3.65億千瓦。根據(jù)《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出，國家將“大力提升風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模”。預(yù)計“十四五”期間我國風(fēng)電規(guī)劃裝機將達(dá)到5.4億千瓦。隨著國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和管理水平的提升，風(fēng)電機組安全問題已是最基本要求，從業(yè)人員更加注重技術(shù)細(xì)節(jié)，開始重視風(fēng)電機組控制水平和發(fā)電效率，如何提高風(fēng)電機組發(fā)電效率則成為關(guān)注焦點。這就要求行業(yè)相關(guān)廠商不斷深入研究如何提高風(fēng)電機組效率和可靠性、降低維護成本，并提供各種實際應(yīng)用的提效方案。

通常情況下，風(fēng)電行業(yè)內(nèi)采用等效利用小時數(shù)指標(biāo)來評估機組的發(fā)電性能，風(fēng)力發(fā)電機組的等效利用小時=年度總發(fā)電量/機組額定功率，以上公式中，對于在役風(fēng)電機組的額定功率是確定的，直接影響等效利用小時的因素是年度總發(fā)電量，影響年度總發(fā)電量的因素主要包括以下方面：

（1）氣象條件，包括風(fēng)速、空氣密度、湍流強度等；

（2）機組的故障率，機組可靠運行時間；

（3）風(fēng)電機組自身發(fā)電效率情況。

由于上述影響因素（1）屬于自然條件，本文僅從影響因素（2）和（3）兩個方面進行研究與分析。根據(jù)大型風(fēng)力發(fā)電機組實際運行情況，通過大量的理論研究，在降低機組故障率和提升機組自身發(fā)電效率兩大方向，針對大型風(fēng)電機組提出以下切實可行的增能提效方案和方法。

1.降低故障率、提高可利用率

目前，我國前期投運的風(fēng)機主體已開始進入故障多發(fā)期，其中占比較高的是旋轉(zhuǎn)類的機械故障，多是由于旋轉(zhuǎn)機械潤滑相關(guān)，由此可見對于旋轉(zhuǎn)機組部件潤滑是非常重要。

根據(jù)統(tǒng)計，齒輪箱和軸承損壞不是風(fēng)電機組故障占比最高的，卻是造成風(fēng)電機組停機時間最長的故障，其中，潤滑問題和缺少定期維護是該類故障的主要原因。因此，重視機組重要設(shè)備潤滑和機組定檢維護工作，對于大型風(fēng)電機組的正常運行尤其重要。

1.1機械部分的潤滑

大型風(fēng)力發(fā)電機組需要潤滑的部分主要包括主齒輪箱、偏航和變槳齒輪箱及液壓控制系統(tǒng)，變槳軸承、偏航軸承、主軸承以及發(fā)電機軸承等，其中最關(guān)鍵的部分是主齒輪箱。它作為雙饋型、半直驅(qū)型機組傳動系統(tǒng)的核心，一旦出現(xiàn)故障，主齒輪箱的更換會將帶來極大的損失。建議風(fēng)機設(shè)備維護人員挑選性能匹配均衡的潤滑油，可以有效保護旋轉(zhuǎn)器件，延長器件壽命，減少停機時間。高效合理的潤滑管理，是保證風(fēng)電機組長期正常運轉(zhuǎn)的基本措施之一。提升潤滑管理水平，可以預(yù)警設(shè)備故障，減少計劃外停機時間，提高運維效率，延長設(shè)備壽命。

1.2定期檢修和日常維護

大型風(fēng)力發(fā)電機組的日常維護和定檢工作非常重要，日常的機組的故障缺陷要求能夠認(rèn)真仔細(xì)分析問題原因，杜絕盲目復(fù)位和待隱患運行，防患小故障演變成重大安全和設(shè)備事故；對于定檢工作，要嚴(yán)格遵循定檢手冊和規(guī)程要求，杜絕拖延、遺漏定檢項目，否則將對機組的壽命和安全造成嚴(yán)重的影響。

應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)備出廠單位的要求與規(guī)定，定期進行維護和檢修，通過定期維護能夠及時發(fā)現(xiàn)各部件是否存在問題，出現(xiàn)問題及時解決和處理，降低風(fēng)力發(fā)電機組的故障率，提高設(shè)備的使用安全性。

2.提升機組發(fā)電性能

結(jié)合風(fēng)電機組相關(guān)參數(shù)及理論，對機組能效提升進行分析；根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機輸出機械功率與風(fēng)速有如下關(guān)系：

ν為上風(fēng)向風(fēng)速，單位為m/s；

Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；

A為風(fēng)力發(fā)電機槳葉掃掠面積，單位為m3；

A=πR2, R為風(fēng)輪半徑；

通過上述公式可知，在原風(fēng)力發(fā)電機組不變更機組容量、塔筒高度、葉片長度（不考慮葉片加長）情況下，如果要提升機組發(fā)電性能，就要提升風(fēng)力發(fā)電機組在運行時的風(fēng)能利用系數(shù)Cp, 風(fēng)能利用系數(shù)Cp是關(guān)于葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)，即：Cp(λ , β),當(dāng)槳距角和葉尖速比發(fā)生改變，Cp值隨之變化。圖1為某機型的Cp(λ , β)曲線圖。

圖1：CP-λ曲線

通過圖1可以看出每條曲線都是單調(diào)的，這樣我們在固定的葉尖速比下，通過控制變槳角度，可以使該葉尖速比下風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大。

可以通過以下方式控制變槳角度提升風(fēng)能利用系數(shù)。

2.1校準(zhǔn)葉片機械0度

葉片的0度位置是否安裝準(zhǔn)確，決定了運行時變槳角度的準(zhǔn)確性，對機組的發(fā)電性能起著重要作用，以1.5MW某機型為例，按照葉片機械0度偏差2度進行仿真計算，會造成功率曲線性能出現(xiàn)偏差，年發(fā)電量偏差1.8%，如圖2。

圖2：葉片機械0度偏差對功率曲線的影響

為保證葉片零度角準(zhǔn)確性，應(yīng)從以下兩個方面進行：1、對新風(fēng)機生產(chǎn)過程中加強質(zhì)量管理，保證安裝時零刻度的準(zhǔn)確性；2、對已運行風(fēng)場，需落實齒輪間隙對葉片0刻度偏離影響及驗證控制系統(tǒng)是否會造成跑槳的可能性，定期對葉片機械0度進行校準(zhǔn)工作。

2.2葉片及風(fēng)機附加件的研究，提高風(fēng)機性能

對于某些機組葉片存在失速情況或升力不夠的情況，可以通過設(shè)計風(fēng)機附加件改善機組失速和升力不足的情況。例如以下設(shè)計：

2.2.1輪轂罩設(shè)計

合理設(shè)計輪轂罩能夠有效的提升葉片的升力，提高風(fēng)能利用率，輪轂罩的設(shè)計要充分結(jié)合流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多學(xué)科，要進行充分的建模仿真和測試驗證。可以參考某品牌風(fēng)機的輪轂罩設(shè)計，如下圖，該設(shè)計能有效提升葉片的升阻比，在風(fēng)洞試驗中，約可以提高0.8%的發(fā)電性能。

2.2.2葉片渦流發(fā)生器

目前行業(yè)內(nèi)，渦流發(fā)生器被應(yīng)用在老舊機組性能提升上，通過計算和研究相關(guān)數(shù)據(jù)表明，渦流發(fā)生器在風(fēng)電葉片邊界層的分離控制有良好的效果，可以有效改善葉片翼型的氣動性能；葉片渦流發(fā)生器設(shè)計需要結(jié)合具體的葉片翼型和氣動性能參數(shù)，通常安裝在風(fēng)電葉片葉根到葉中區(qū)域的吸力面，其加工工藝及安裝位置都會對應(yīng)用效果產(chǎn)生影響，在加工和安裝過程需要嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)和工藝要求進行。圖5為某風(fēng)電機組葉片渦流發(fā)生器實際應(yīng)用。

2.3優(yōu)化偏航系統(tǒng)

風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)兩個主要功能：一是對風(fēng)功能，追蹤風(fēng)向變化；二是解纜功能，防止發(fā)生電纜纏繞。偏航對風(fēng)的邏輯設(shè)計和對風(fēng)的準(zhǔn)確性會影響風(fēng)電機組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

傳統(tǒng)的偏航控制邏輯無法適用全工況，在湍流強度大、風(fēng)向變化較大的工況下，易造成風(fēng)能利用效率的降低，應(yīng)針對不同工況進行實際的偏航邏輯設(shè)計。同時可采用偏航角度誤差靜態(tài)校正和動態(tài)校正的方法提高風(fēng)電機組偏航對風(fēng)的準(zhǔn)確性。

2.4 優(yōu)化轉(zhuǎn)矩控制策略

2.4.1 自動尋優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制

根據(jù) Cp(λ，β) 函數(shù)， 在每個風(fēng)速的最優(yōu)尖速比λopt下，如果獲取會有一個最佳的變槳角度對應(yīng)的Cpmax值，為實現(xiàn)風(fēng)電機組變速運行，最大區(qū)間范圍追求最佳圖片曲線，一般通過改變發(fā)電機矩控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，結(jié)合推導(dǎo)轉(zhuǎn)換公式：

==

式中：

為最優(yōu)發(fā)電機轉(zhuǎn)速；

為發(fā)電機轉(zhuǎn)矩；

為最優(yōu)模態(tài)增益。

在額定風(fēng)速以下，為使機組運行在最佳轉(zhuǎn)速上，可根據(jù)空氣密度的變化來自動調(diào)控最優(yōu)模態(tài)值Kopt，使得風(fēng)機可以在更廣泛的風(fēng)速范圍內(nèi)跟蹤最佳葉尖速比。

最優(yōu)控制還可以使得風(fēng)機各個風(fēng)速段的發(fā)電機扭矩變化平滑，不出現(xiàn)跳變，減小機組的振動。

2.4.2恒功率控制

在額定風(fēng)速以上，采用恒功率控制方式代替原有的恒轉(zhuǎn)速控制方式，通過增加傳動鏈阻尼濾波器來減小發(fā)動機扭矩的偏差，使得發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化平緩，提高了風(fēng)機在大風(fēng)速下輸出功率的穩(wěn)定性和綜合利用率。下圖為某1.5MW機型風(fēng)電機組采用恒功率控制的運行曲線。

恒功率實際控制曲線

2.5機組實際運行模型的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)算法

目前廠家提供的葉片模型和數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確性有待驗證，如果模型和數(shù)據(jù)包不準(zhǔn)確，對于后期仿真載荷、氣動性能、控制性能產(chǎn)生影響，控制上無法保證使用的Cp、Lambda值得準(zhǔn)確性，從而影響最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的控制，影響機組的發(fā)電性能。

對于運行過一段時間的風(fēng)機，其葉片的翼型會發(fā)生形變，造成氣動性能的改變，通過仿真研究，如下面兩圖；能夠看出運行過一段時間后的葉片Cp、Lambda、槳距角都發(fā)生了變化。

新舊葉片Cp值變化曲線

新舊葉片性能的變化

針對模型準(zhǔn)確性的問題，建議通過自適應(yīng)的控制算法，該控制策略能忽略模型不準(zhǔn)確及葉片老化帶來的影響，能夠在實際運行運行過程中得到最優(yōu)的性能參數(shù)，使機組能夠以最優(yōu)性能運行。

2.6超額定功率和大風(fēng)拓展切出控制

大型風(fēng)力發(fā)電機組可以在額定風(fēng)速以后的工況下及超大風(fēng)工況的利用上進行開發(fā)，其中包括超額定功率和超大風(fēng)切出控制；超額定功率是指機組在風(fēng)速大于滿發(fā)風(fēng)速時能夠以超額定功率的狀態(tài)進行發(fā)電，能夠提升單機單位小時的發(fā)電量，帶來發(fā)電量的提升，但需要考慮發(fā)電機及其他設(shè)備的性能參數(shù)和壽命；超大風(fēng)切出控制是指機組在風(fēng)速大于切出風(fēng)速一定風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，機組能夠在限功率的情況下繼續(xù)發(fā)電，擴寬風(fēng)電機組對風(fēng)速區(qū)間的利用率，從而提升機組的發(fā)電量，但需要對機組的疲勞載荷和部件承受能力進行驗證。下圖是以1.5MW風(fēng)力發(fā)電機組為例的大風(fēng)拓展切出原理圖。

圖9：大風(fēng)拓展切出原理圖

2.7風(fēng)場的最優(yōu)發(fā)電量的控制研究

前面介紹的策略和方法多是提升單機發(fā)電性能，而本控制策略是通過對整個風(fēng)場的建模及來流風(fēng)向和風(fēng)速的測量，通過調(diào)整每臺機組的控制策略，如果有必要，可以限定某臺或某幾臺的機組的發(fā)電量來達(dá)到整個風(fēng)場的發(fā)電量最大化，這種控制策略是考慮整個風(fēng)場的經(jīng)濟利益的最優(yōu)化。

3.結(jié)束語

提高風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電性能的策略和方法，不僅限于上述方法。提高風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電性能及經(jīng)濟效益是目前投資方和制造廠商越來越關(guān)注的問題，上述內(nèi)容比較詳細(xì)的描述了大型發(fā)電機組增能提效的多種方法和方案，在實際應(yīng)用中，具有較強的參考價值。