風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能優(yōu)化案例分析

摘要：根據(jù)國(guó)家風(fēng)電技術(shù)與檢測(cè)研究中心對(duì)華電街基風(fēng)電場(chǎng)66臺(tái)某品牌風(fēng)電機(jī)組功率曲線的檢測(cè)報(bào)告，決定對(duì)機(jī)組整體精確調(diào)整，通過優(yōu)化機(jī)組控制策略、葉片零位校正等措施，以提高機(jī)組的發(fā)電量，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行也起到了促進(jìn)作用。關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能優(yōu)化1、概況華電某風(fēng)電場(chǎng)共安裝某品牌1500-82型風(fēng)電機(jī)組66臺(tái)，裝機(jī)容量9.9萬千瓦，分兩期建設(shè)，單期容量4.95萬千瓦，于2009年5月開始籌建。一期機(jī)組于2011年1月28日投入運(yùn)行，二期機(jī)組于2012年12月27日投入運(yùn)行。2017年華電某風(fēng)電場(chǎng)66臺(tái)某品牌機(jī)組開展深度治理和發(fā)電量提升改造，在不改變機(jī)組硬件的前提下，優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組控制策略提高機(jī)組發(fā)電效率，并對(duì)風(fēng)場(chǎng)66臺(tái)機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)研究分析、及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理機(jī)組的潛在隱患，確保機(jī)組高可靠運(yùn)行，提高機(jī)組的可利用率。2、問題及原因分析2.1現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組控制策略分析為了能使機(jī)組捕獲更多的風(fēng)能，主控系統(tǒng)必須將機(jī)組的運(yùn)行控制在最佳葉尖速比附近，具體來說就是根據(jù)不同來流風(fēng)速給定最佳的變槳角度和發(fā)電機(jī)功率值。如圖1所示，應(yīng)控制機(jī)組按照點(diǎn)A-B-C-F-G-H-L構(gòu)成的曲線運(yùn)行。（1）低風(fēng)速（并網(wǎng)風(fēng)速附近）情況下，最小允許發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速S1，控制機(jī)組在如圖1所示的A-B段運(yùn)行，這樣就能使得實(shí)際葉尖速比靠近設(shè)計(jì)最佳值；（2）中風(fēng)速（4m/s-10m/s）情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速S1-S4，控制機(jī)組在如圖1所示的B-G段運(yùn)行，使用最佳轉(zhuǎn)矩給定維持葉尖速比在最佳值附近，追蹤最佳風(fēng)能利用系數(shù)Cp；（3）額定風(fēng)速（額定轉(zhuǎn)速風(fēng)速）情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速S4，控制機(jī)組在如圖1所示的G-H段運(yùn)行，保持風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在額定設(shè)計(jì)值，通過變槳策略來調(diào)整風(fēng)能捕獲能力。（4）高風(fēng)速(機(jī)組滿發(fā))情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速S4-S5，控制機(jī)組在如圖1所示的H-L段運(yùn)行，維持在發(fā)電機(jī)恒功率輸出，通過變槳策略來降低載荷和機(jī)械沖擊。圖1：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩圖為保證不同風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠捕獲更大的風(fēng)能，必須采用更好的控制策略來對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制。目前市場(chǎng)常用控制策略：一是公式計(jì)算方式，計(jì)算機(jī)組固定控制參數(shù)，以及在其基礎(chǔ)上以參數(shù)分段調(diào)整為特點(diǎn)進(jìn)行的機(jī)組控制；二是建立風(fēng)速、功率、轉(zhuǎn)速表，通過查詢不同風(fēng)速、轉(zhuǎn)速功率對(duì)應(yīng)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組控制;三是建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并予以控制。我們引入第三種控制策略，并在其基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)組模型進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算。2.2現(xiàn)有控制策略存在的問題（1）風(fēng)特性研究不足在運(yùn)機(jī)型以準(zhǔn)靜態(tài)定常流動(dòng)作為主要風(fēng)模型設(shè)計(jì)機(jī)組控制算法。但是風(fēng)能從本質(zhì)上來說是空氣的紊流流動(dòng)，其風(fēng)向、風(fēng)速、渦旋度、流動(dòng)形態(tài)等總是在不斷地隨機(jī)快速變化，所以其具有的能量也是時(shí)刻變化的，需要對(duì)其特性進(jìn)行深入研究。（2）風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率有局限機(jī)組原有控制策略，最大風(fēng)能捕獲的實(shí)現(xiàn)程度較低，風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率不高。需深入分析和研究適應(yīng)風(fēng)的動(dòng)態(tài)、三維、渦旋、紊流流動(dòng)情況下的轉(zhuǎn)換與利用技術(shù)。（3）控制策略參數(shù)調(diào)整單一本風(fēng)場(chǎng)安裝運(yùn)行的機(jī)組，主控系統(tǒng)控制策略的參數(shù)都是按照標(biāo)準(zhǔn)條件計(jì)算得出的，計(jì)算中使用的都是標(biāo)準(zhǔn)的空氣密度、環(huán)境溫度、海拔高度等，忽略了具體風(fēng)電場(chǎng)的工況，使得最終機(jī)組運(yùn)行的功率曲線偏離標(biāo)準(zhǔn)曲線，發(fā)電量無法達(dá)到預(yù)計(jì)水平。需要根據(jù)機(jī)組的實(shí)際地理位置，周圍環(huán)境因數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)機(jī)組控制策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，得到最優(yōu)的功率輸出和合理的機(jī)組載荷。（4）控制策略采用靜態(tài)組合方式機(jī)組廠家通常采用上述控制策略中的一種作為其主要控制策略，或者采用其靜態(tài)組合的方式。這種靜態(tài)的控制策略難以對(duì)風(fēng)的變化快速跟蹤并正確地響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用效率的最大化，就需要對(duì)風(fēng)的紊流特性、風(fēng)與風(fēng)輪葉片的動(dòng)態(tài)作用與響應(yīng)特性、機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、功率轉(zhuǎn)換與變頻系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性以及上述各特性間的耦合（解耦）方法進(jìn)行深入研究，并對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)電控制策略進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在保證風(fēng)電機(jī)安全性的前提下，輸出功率最大化。3、方案設(shè)計(jì)3.1機(jī)組狀態(tài)診斷與控制優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組定型后，后期無法改變其整體性能。在機(jī)組運(yùn)行后，會(huì)出現(xiàn)不同程度的缺陷，或因維護(hù)不到位，導(dǎo)致性能下降。本項(xiàng)目主要從3個(gè)方面入手：一是機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)診斷、分析與治理。檢查并消除機(jī)組隱患，使其從亞健康運(yùn)行狀態(tài)恢復(fù)到健康狀態(tài)；分析異常數(shù)據(jù)，防止故障發(fā)生。二是采用精細(xì)化模型控制策略；變靜態(tài)單一參數(shù)控制為動(dòng)態(tài)多參數(shù)協(xié)調(diào)控制，在機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)發(fā)電量最大化。三是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試優(yōu)化。3.2優(yōu)化原則（1）不改動(dòng)機(jī)組機(jī)械大部件（如葉片、發(fā)電機(jī)等），不添加電氣元器件，只對(duì)機(jī)組的控制策略進(jìn)行優(yōu)化。（2）安全鏈不改動(dòng)，機(jī)組切入、切出和安全控制策略不改動(dòng)，僅對(duì)機(jī)組發(fā)電過程控制程序進(jìn)行優(yōu)化，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定性。（3）在控制策略優(yōu)化前，對(duì)機(jī)組全面體檢，精細(xì)調(diào)整，改善機(jī)組運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)和消除機(jī)組隱患。3.3精細(xì)化模型控制策略（1）不同環(huán)境條件下來流風(fēng)紊流特性研究從風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的角度來看，風(fēng)速是機(jī)組的主要外部信號(hào)，并決定了機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。風(fēng)速是時(shí)刻變化的，高度依賴于給定的地點(diǎn)和大氣情況。這些特性使得風(fēng)速的模型很難建立。精細(xì)化模型控制策略風(fēng)速的動(dòng)態(tài)模型是結(jié)合具體地點(diǎn)的特殊氣象條件建立起來的。這個(gè)風(fēng)速模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)隨機(jī)的過程，由2個(gè)部分疊加而成，即V（t）=Vs（t）+Vt（t）式中Vs（t）是低頻部分（代表長(zhǎng)期、低頻變化）；Vt（t）是湍流部分（對(duì)應(yīng)快速、高頻變化）。低頻部分對(duì)應(yīng)的是非常緩慢的風(fēng)速變化，從能量的觀點(diǎn)來看，低頻部分是某一地點(diǎn)風(fēng)速的主要參考，低頻部分的模型用威布爾分布來表示。（2）風(fēng)電葉片氣動(dòng)響應(yīng)特性與氣動(dòng)效率優(yōu)化技術(shù)研究研究葉片安裝角隨著展向的變化規(guī)律；設(shè)計(jì)工況下葉片不同截面來流攻角變化規(guī)律及繞流特性；紊流來流情況下葉片不同截面攻角及繞流特性；風(fēng)速風(fēng)向快速變化時(shí)葉片攻角及繞流特性；草原風(fēng)與季風(fēng)情況下機(jī)組葉片變槳控制策略。精細(xì)化模型中修改了傳統(tǒng)定點(diǎn)風(fēng)速模型，固定點(diǎn)頻譜修改為掠過風(fēng)輪的風(fēng)速頻譜同時(shí)考慮不同截面的繞流，采用旋轉(zhuǎn)采樣濾波，充分將風(fēng)轉(zhuǎn)矩變化、固定點(diǎn)風(fēng)速湍流影響考慮在模型中；精細(xì)化模型同時(shí)也包括了當(dāng)風(fēng)速或槳距角突變時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)滯后子系統(tǒng)，有效減小風(fēng)力波動(dòng)對(duì)機(jī)組的整體控制難度，使得功率控制更加精準(zhǔn)，以達(dá)到提升發(fā)電量的目的。（3）葉輪、傳動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)與變頻等系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及其耦合特性研究研究變槳過程中,大葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與時(shí)間常數(shù)變化特性，大速比柔性傳動(dòng)鏈功率與載荷的響應(yīng)與傳遞特性；雙饋機(jī)組發(fā)電機(jī)與變頻系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；機(jī)組各系統(tǒng)耦合與解耦特性研究。精細(xì)化模型控制算法將機(jī)組的整體動(dòng)態(tài)特性,依賴于風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)兩條機(jī)械的特性曲線的相對(duì)位置，控制負(fù)荷特征曲線的斜率調(diào)整機(jī)組的響應(yīng)時(shí)間；進(jìn)一步精確控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,通過變速調(diào)節(jié)直接控制能量捕獲，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間解耦；精準(zhǔn)確定風(fēng)電機(jī)組柔性傳動(dòng)鏈的彈性系統(tǒng)的剛性系數(shù)和阻尼系數(shù)得到三階線性模型；綜合上述機(jī)組幾部分的模型（空氣動(dòng)力部分、傳動(dòng)鏈部分、發(fā)電機(jī)變頻器部分）來建立不同結(jié)構(gòu)的線性化模型，得出線性化特征值，調(diào)整參數(shù)使得機(jī)組工作點(diǎn)附近的動(dòng)態(tài)特征趨于線性化。（4）機(jī)組發(fā)電量最優(yōu)自動(dòng)跟蹤建模與算法研究以機(jī)組發(fā)電量最優(yōu)為目標(biāo)，精細(xì)化模型控制采用滑?？刂疲缘玫阶顑?yōu)的能量捕獲，在轉(zhuǎn)矩脈沖（控制輸入）和優(yōu)化跟蹤之間進(jìn)行平衡，實(shí)現(xiàn)一個(gè)多輸入-多輸出的優(yōu)化控制。（5）基于精細(xì)化模型控制策略的功率控制與變槳控制方案設(shè)計(jì)以1.5MW變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，以研究空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論和風(fēng)紊流模型為起點(diǎn),分析風(fēng)電機(jī)組不同風(fēng)況下的工作特性,在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間,將模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)應(yīng)用于機(jī)組功率控制當(dāng)中；采用機(jī)組精細(xì)化模型建立機(jī)組變槳控制函數(shù)，并結(jié)合經(jīng)典PID控制策略，動(dòng)態(tài)變槳，實(shí)現(xiàn)機(jī)組最大風(fēng)能捕獲。對(duì)于變槳控制，可以得出根據(jù)機(jī)組精細(xì)化模型，建立槳距角函數(shù)：通過計(jì)算不同功率P，風(fēng)速下的最優(yōu)，并結(jié)合經(jīng)典PID控制算法，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使機(jī)組能夠捕獲最大功率。機(jī)組變槳控制結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示變槳控制結(jié)構(gòu)示意圖綜上所述，可以看出：基于精細(xì)化模型控制算法中采用的模糊滑模變結(jié)構(gòu)功率控制方法和機(jī)組模型變槳控制方法可以有效地控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化，保持不同風(fēng)速下最佳葉尖速比和最大功率轉(zhuǎn)化系數(shù)，使機(jī)組的輸出功率在最優(yōu)的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的同時(shí)降低機(jī)組機(jī)械載荷。4、實(shí)施過程為保證新研發(fā)帶有精確模型控制算法的控制程序能在技改機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行，調(diào)試內(nèi)容在機(jī)組體檢的過程中已提前做了準(zhǔn)備，比如進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的離網(wǎng)調(diào)試：接地電阻的測(cè)試、絕緣測(cè)試以及常規(guī)機(jī)械檢查；測(cè)量終端調(diào)試：用于檢測(cè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試，如電量采集模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等檢查其測(cè)量值是否在正常范圍內(nèi)。當(dāng)更新到新程序后需要對(duì)機(jī)組安全鏈，以及各個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，以保證程序的穩(wěn)定性，確保機(jī)組的安全性。機(jī)組調(diào)試優(yōu)化的主要內(nèi)容如下。4.1安全性調(diào)試安全鏈?zhǔn)菣C(jī)組獨(dú)立于控制系統(tǒng)之外的一套緊急停機(jī)控制回路，屬于風(fēng)電機(jī)組的最后一道防線，包括：安全鏈保險(xiǎn)、急停按鈕、三個(gè)葉片故障、輪轂超速、機(jī)組振動(dòng)、發(fā)電機(jī)超速、剎車存儲(chǔ)繼電器、看門狗、超出工作位置、輪轂驅(qū)動(dòng)純硬件回路。確保機(jī)組安全的首要調(diào)試任務(wù)是安全鏈調(diào)試。為了確保機(jī)組更加安全穩(wěn)定的運(yùn)行，應(yīng)測(cè)試備用電池的性能。以保證失電時(shí)機(jī)組能夠安全順槳停機(jī)。檢查各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的正確性，避免新版程序誤報(bào)故障。4.2葉片零位校正葉片的零位校正不僅是對(duì)葉片制造過程與設(shè)計(jì)產(chǎn)生誤差的校正，更是影響發(fā)電量提升的重要因數(shù)，因?yàn)榫_模型控制策略是建立在機(jī)組葉片設(shè)計(jì)參數(shù)基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)模型，葉片零位直接影響著發(fā)電量提升的效果，同時(shí)如果未校準(zhǔn)零位會(huì)加大機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)。4.3機(jī)組參數(shù)精細(xì)化機(jī)組參數(shù)的精細(xì)化包括：每支葉片的重量、重心位置，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、開口電壓、定轉(zhuǎn)子額定電壓及電流等。這些參數(shù)將直接參與到模型控制策略的轉(zhuǎn)矩控制中。4.4主控軟件更新刷新主控程序，更新為基于精細(xì)化模型控制策略的功率控制系統(tǒng)。并進(jìn)行相應(yīng)的軟件系統(tǒng)調(diào)試。5、改造效果5.1第一階段自2017年7月23日到2017年9月23日2個(gè)月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，技改機(jī)組平均發(fā)電量提升6.08%，技改后機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，未見明顯缺陷及安全隱患。5.2第二階段在全面開展風(fēng)電場(chǎng)程序更新前，繼續(xù)采用第一階段的對(duì)比方案截止到2017年10月23日技改機(jī)組發(fā)電量提升5.61%。5.3第三階段為了利用不同對(duì)比方案進(jìn)行發(fā)電量提升驗(yàn)證，于2018年1月5日，街基現(xiàn)場(chǎng)HR3、HR25、HR53還原為老程序作為標(biāo)桿機(jī)組，截止至2018年2月6日發(fā)電量提升4.90%。5.4技改機(jī)組功率散點(diǎn)圖對(duì)比以下散點(diǎn)對(duì)比圖為技改機(jī)組與標(biāo)桿機(jī)組2017年7月23日到2017年9月8日與2016年7月23日到2016年9月8日相同月份的散點(diǎn)對(duì)比圖。通過觀察標(biāo)桿機(jī)組的散點(diǎn)圖兩年的變化不大，基本一致；而技改機(jī)組的散點(diǎn)圖2017年的圖形明顯強(qiáng)于2016年的圖形，效果明顯。下圖中的7#、15#、61#三個(gè)機(jī)組為風(fēng)場(chǎng)選定的技改機(jī)組所對(duì)比的標(biāo)桿機(jī)組，通過圖形不難看出三臺(tái)機(jī)組2017年的散點(diǎn)圖形與2016年的散點(diǎn)圖形基本完全重合變化不大。下圖中的9#、12#、10#、14#、60#、62#六臺(tái)機(jī)組為發(fā)電量提升的機(jī)組散點(diǎn)對(duì)比圖，通過圖形不難看出六臺(tái)機(jī)組2017年的散點(diǎn)圖形與2016年的散點(diǎn)圖形差異明顯，2017年技改后的散點(diǎn)圖在相同風(fēng)速下明顯高于2016年未技改時(shí)散點(diǎn)圖，達(dá)到了技改的目的，技改效果明顯。6、總結(jié)和建議（1）本項(xiàng)目所研究的精細(xì)化模型控制策略克服了傳統(tǒng)查表控制算法的缺點(diǎn)，變靜態(tài)單一參數(shù)控制為動(dòng)態(tài)多參數(shù)協(xié)調(diào)控制，更大范圍內(nèi)跟蹤最佳Cp曲線，尋找機(jī)組運(yùn)