風(fēng)電機(jī)組增功提效技術(shù)的探究與評估

【摘要】風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量作為表征機(jī)組功率特性的性能指標(biāo)，不僅影響風(fēng)機(jī)市場裝機(jī)量和競爭力，更直接關(guān)乎業(yè)主和主機(jī)廠經(jīng)濟(jì)收益。越來越多業(yè)主在風(fēng)電項(xiàng)目招標(biāo)文件中，明確要求保證發(fā)電量，即根據(jù)年平均風(fēng)速對應(yīng)等效滿發(fā)小時數(shù)波動表承諾發(fā)電量，甚至忽略風(fēng)速、環(huán)境變化直接要求裸保發(fā)電量。整機(jī)廠家在各機(jī)型設(shè)計研發(fā)時通過風(fēng)資源仿真分析得到理論最大發(fā)電量，機(jī)組在風(fēng)場實(shí)際運(yùn)行時往往表現(xiàn)不同，同機(jī)型不同風(fēng)場、同風(fēng)場同機(jī)型不同機(jī)組表現(xiàn)都出現(xiàn)差異，而影響機(jī)組發(fā)電量的因素較多，其中風(fēng)場實(shí)際運(yùn)行過程主要受到平均風(fēng)速、故障維護(hù)、計劃檢修、降容限電、可利用率、自耗電和控制等因素影響。為降低發(fā)電量承諾導(dǎo)致的進(jìn)出質(zhì)保風(fēng)險，提高風(fēng)電場發(fā)電效能，增加后市場競爭力，開展風(fēng)電機(jī)組增功提效技術(shù)研究勢在必行。本文以風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行發(fā)電情況評估為前提，從機(jī)組邏輯控制角度開展增功提效技術(shù)探究，提出優(yōu)化思路，制定技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)組精細(xì)化控制，提高了發(fā)電能力。同時基于陸上3.4MW機(jī)組開展啟機(jī)和自耗電優(yōu)化實(shí)踐應(yīng)用，通過收集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行效果評估，對比了同風(fēng)場同機(jī)型優(yōu)化機(jī)組和未優(yōu)化機(jī)組在優(yōu)化前后發(fā)電量表現(xiàn)，有效實(shí)現(xiàn)了發(fā)電量提升。【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機(jī)組增功提效精細(xì)化控制發(fā)電量提升1.引言中國提出“3060”雙碳目標(biāo)，堅持發(fā)展清潔能源，在降低碳排放的實(shí)踐道路上取得豐碩成果。中國通過努力已成為全球溫室氣體排放增速放緩的重要力量，最主要得益于我國不斷調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，降低化石能源使用和依賴，大力投資和發(fā)展清潔能源。風(fēng)電作為清潔能源在中國得到廣泛應(yīng)用，近年來，國家陸續(xù)出臺《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》等多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策，為風(fēng)電行業(yè)發(fā)展提供了明確、廣闊的市場前景，為企業(yè)提供了良好的生產(chǎn)經(jīng)營環(huán)境。政策鼓勵風(fēng)電行業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新，推動了2022年中國風(fēng)電發(fā)展平穩(wěn)，全國風(fēng)電裝機(jī)容量36544萬千瓦，同比增長11.2%，風(fēng)電發(fā)電量占全國發(fā)電總量超過8%。當(dāng)然，風(fēng)電行業(yè)蓬勃發(fā)展帶動風(fēng)電裝機(jī)量激增，也加劇了國內(nèi)風(fēng)電整機(jī)廠家之間的競爭，風(fēng)機(jī)廠家新機(jī)型的加速迭代。海陸大兆瓦機(jī)型不斷刷新記錄展現(xiàn)了中國風(fēng)電發(fā)展速度，在高塔筒、長葉片技術(shù)加持下，機(jī)組單位千瓦價格創(chuàng)歷史新低。隨著整機(jī)廠家間競爭愈加白熱化，更低的度電成本，更高的發(fā)電性能成為追求。本文以某公司陸上3.4MW機(jī)組為研究對象，通過對該機(jī)組開展發(fā)電性能評估分析，找到問題癥結(jié)，從控制角度提出優(yōu)化，將整機(jī)運(yùn)行控制精細(xì)化作為重點(diǎn)攻關(guān)方向，壓榨機(jī)組運(yùn)行發(fā)電能力，經(jīng)機(jī)組實(shí)踐應(yīng)用和效果評估表明，可有效提高發(fā)電量。同時，將研究實(shí)踐成果反哺于新機(jī)型設(shè)計，可有效增強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行效能和競爭力，實(shí)現(xiàn)真正增功提效。2.增功提效技術(shù)探究2.1增功提效前提實(shí)現(xiàn)機(jī)組增功提效，首先須對機(jī)組運(yùn)行發(fā)電性能進(jìn)行準(zhǔn)確分析和評估，掌握風(fēng)機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀，找到運(yùn)行過程存在問題和發(fā)電量損失原因，才能制定合理優(yōu)化措施和有效提升技術(shù)方案?；赟CADA記錄機(jī)組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行控制參數(shù)，制定數(shù)據(jù)篩選規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別從電量和時間尺度得到單機(jī)與全場機(jī)組的發(fā)電情況。從理論發(fā)電量評估可以得到有風(fēng)未發(fā)電量、啟機(jī)過程損失電量、限電理論電量和正常運(yùn)行電量在理論總發(fā)電量占比；從時間利用率評估可以得到風(fēng)小運(yùn)行時間、有風(fēng)味發(fā)電時間、啟機(jī)運(yùn)行時間、限電時間和正常運(yùn)行時間在運(yùn)行總時間的占比。其中，理論電量和時間利用率中占比較高的參量，為風(fēng)場發(fā)電量損失癥結(jié)點(diǎn)，更是開展增功提效實(shí)現(xiàn)發(fā)電量提升的攻關(guān)方向。2.2優(yōu)化思路（1）降低故障率優(yōu)化通過風(fēng)場運(yùn)行發(fā)電量分析評估，有風(fēng)未發(fā)電主要是機(jī)組故障維護(hù)導(dǎo)致發(fā)電量損失。針對故障維護(hù)導(dǎo)致機(jī)組損失電量占比較高情況，應(yīng)統(tǒng)計分析風(fēng)場年度、月度故障頻次分布，梳理風(fēng)場個性、共性高發(fā)故障，組織技術(shù)專家團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行故障根因分析，開展疑難故障攻關(guān)。從故障觸發(fā)邏輯的角度開展優(yōu)化措施方向：1）梳理故障、警告、事件等相關(guān)觸發(fā)邏輯，針對過保護(hù)或邏輯設(shè)計存在缺陷、不合理等情況，通過邏輯重構(gòu)對故障分級及復(fù)位開展優(yōu)化，可降低部分故障和警告頻次；2）對于反復(fù)發(fā)生頻次高，但安全可控的故障，可采取故障穿越策略。當(dāng)然，為保障邏輯優(yōu)化后問題處理，應(yīng)更新控制邏輯說明書，對所有故障、報警和事件的原因及處理措施進(jìn)行說明，由此可減少故障停機(jī)時間和次數(shù)，提高故障維護(hù)效率。（2）啟停機(jī)優(yōu)化啟停機(jī)優(yōu)化，主要關(guān)注待風(fēng)、小風(fēng)、啟停機(jī)過程和暴風(fēng)。優(yōu)化思路：1）待風(fēng)階段，可適當(dāng)調(diào)整機(jī)組待風(fēng)變槳角度，以獲得更高轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)況滿足后快速啟機(jī)，對配置主齒輪箱機(jī)組，低溫下可實(shí)現(xiàn)空轉(zhuǎn)加熱；2）小風(fēng)況下機(jī)組具備一定發(fā)電能力，可以通過評估低風(fēng)況下機(jī)組自耗電與發(fā)電功率輸出達(dá)到平衡點(diǎn)時，機(jī)組可運(yùn)行風(fēng)速，對比設(shè)計切入風(fēng)速適當(dāng)降低，同時，切出時綜合風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等條件優(yōu)化策略；3）在啟機(jī)過程，保證機(jī)組安全前提下縮短啟機(jī)時間，實(shí)現(xiàn)啟機(jī)后盡快并網(wǎng)；4）通過仿真確認(rèn)暴風(fēng)切入、切出和再切入邏輯存在的優(yōu)化空間。（3）齒輪箱加熱控制優(yōu)化針對配置主齒輪箱機(jī)組，在冬季，機(jī)組進(jìn)行故障維護(hù)或計劃檢修，經(jīng)歷較長時間停機(jī)，齒輪箱油溫降低至較低環(huán)境溫度，此時從啟機(jī)到正常發(fā)電，往往需1~2個小時，耗時長。為實(shí)現(xiàn)減少齒輪箱加熱時間，盡快啟機(jī)，低溫下多發(fā)電，結(jié)合齒輪箱專業(yè)工程師評估意見，提出優(yōu)化思路：1）降低待風(fēng)狀態(tài)變槳角度，獲得更高空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；2）提高齒輪箱空轉(zhuǎn)加熱時的轉(zhuǎn)速；3）降低不同溫度下的限功率幅值；4）降低機(jī)組允許啟機(jī)運(yùn)行的齒輪箱油溫。（4）自耗電控制優(yōu)化自耗電控制優(yōu)化主要通過梳理目標(biāo)機(jī)組電機(jī)、加熱等主要耗電設(shè)備，結(jié)合歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，優(yōu)化耗電設(shè)備啟停和報警、故障邏輯。梳理結(jié)果表明耗電功率較高的，主要是齒輪箱、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙和塔基通風(fēng)等相關(guān)設(shè)備。設(shè)備啟?？刂?，不考慮耗電。主要發(fā)現(xiàn)問題：低功率情況下機(jī)組耗電偏高，機(jī)組耗電量占比高。為降低機(jī)組自耗電，提出優(yōu)化措施：主要耗電設(shè)備的控制邏輯精細(xì)化設(shè)計。低風(fēng)速時，保證機(jī)組基礎(chǔ)運(yùn)行前提下，結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)，以更晚介入、輪流介入等方式，通過提高設(shè)備啟動條件，降低耗電。此次優(yōu)化的主要思路：1）機(jī)組正常發(fā)電運(yùn)行的基本保證，如偏航、變槳、齒輪箱潤滑不優(yōu)化；2）功率低于1KW的設(shè)備，耗電量占比低的不優(yōu)化；3）功率高于1kw，主要在發(fā)電運(yùn)行期間工作的設(shè)備，作為主要的優(yōu)化對象。實(shí)際運(yùn)行分析為優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，通過風(fēng)場運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)合故障報警閾值溫度與現(xiàn)行邏輯，按不同功率等級，對設(shè)備主要冷卻、加熱作用對象的關(guān)鍵溫度進(jìn)行統(tǒng)計分析。某3.4MW機(jī)組相關(guān)部件溫度-功率曲線如圖2.1所示。由圖可知，通過設(shè)備的作用，設(shè)備溫度絕大多數(shù)情況主要將控制在溫度平均值+2倍標(biāo)準(zhǔn)差水平以下，因此可根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)整故障、警告溫度閾值，優(yōu)化冷卻設(shè)備啟停邏輯。在整機(jī)設(shè)計時可參考自耗電優(yōu)化邏輯，同時應(yīng)關(guān)注相關(guān)設(shè)備正常運(yùn)行時的溫度。（5）偏航控制優(yōu)化針對機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工程中偏航和解纜問題：1）偏航次數(shù)較多，耗電量多，存在固定偏航誤差；2）中大風(fēng)發(fā)電時間解纜，且過度解纜，造成發(fā)電時間損失電量。偏航控制優(yōu)化主要開展偏航策略和解纜優(yōu)化，主要優(yōu)化思路：1）偏航策略優(yōu)化可采用基于激光雷達(dá)或歷史數(shù)據(jù)開展固定偏航誤差動態(tài)校正；2）提出偏航啟停優(yōu)化策略：參考對風(fēng)精度對發(fā)電量影響，小風(fēng)和滿發(fā)采用高偏航啟動閾值，以降低偏航耗電和次數(shù)，中風(fēng)段采用低偏航閾值提高對風(fēng)精度以增加風(fēng)能捕獲，依據(jù)風(fēng)向儀實(shí)時對風(fēng)，誤差小于設(shè)定值停止；3）機(jī)組盡量在無風(fēng)或小風(fēng)進(jìn)行解纜，減少發(fā)電運(yùn)行時的解纜次數(shù)，大風(fēng)時減少解纜的偏航角度，實(shí)現(xiàn)盡快重新并網(wǎng)發(fā)電，避免過度解纜。圖2.1：某3.4MW機(jī)組相關(guān)功率--溫度曲線（6）功率閉環(huán)控制點(diǎn)優(yōu)化不同工況下，機(jī)組自耗電水平不同，原控制采用機(jī)組出口閉環(huán)，出口功率發(fā)到額定功率，若考慮3%的機(jī)組自耗電，將機(jī)組功率閉環(huán)點(diǎn)改為變流器側(cè)，變流器出口按考慮自耗電的額定功率進(jìn)行閉環(huán)控制，則變流器功率閉環(huán)的額定功率約為102.5%~103%額定功率。采用變流器出口閉環(huán)控制的機(jī)組實(shí)際自耗電小于設(shè)計時，機(jī)組出口可高于額定功率，一定程度可提高發(fā)電量。同時結(jié)合風(fēng)場能量管理平臺優(yōu)化，保證風(fēng)場出口不超過電網(wǎng)報備容量。（7）機(jī)組異常狀態(tài)的識別及控制優(yōu)化機(jī)組異常狀態(tài)識別，主要通過提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，以控制優(yōu)化手段增加機(jī)組關(guān)重部件防護(hù)，降低機(jī)組異常運(yùn)行風(fēng)險和關(guān)重部件故障率，保障安全運(yùn)行。目前機(jī)組異常狀態(tài)的識別及控制優(yōu)化措施包括：異常波動和特真頻率識別、湍流識別、自適應(yīng)濾波等。針對當(dāng)前發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動識別中存在濾波相移大、濾波結(jié)果失真問題，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確識別特征頻率，同時采用阻尼濾波器、陷波濾波器對識別的特征頻率進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)。為降低湍流強(qiáng)度對機(jī)組發(fā)電量和疲勞載荷響應(yīng)，可以開發(fā)基于機(jī)艙風(fēng)速儀測量風(fēng)速計算湍流強(qiáng)度，或者基于激光雷達(dá)測量湍流強(qiáng)度，提前識別強(qiáng)湍流，做好停機(jī)等保護(hù)措施。3.應(yīng)用效果評估本文以某公司陸上3.4MW機(jī)組為研究對象進(jìn)行控制程序梳理和優(yōu)化，將部分優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用在裝有該機(jī)組的某風(fēng)場，其中奇數(shù)機(jī)組更換優(yōu)化程序，偶數(shù)不換，用于進(jìn)行效果評估和對比。（1）評估方法評估方法如表3.1所示：表3.1：評估方法（2）啟停機(jī)控制優(yōu)化效果采用啟停控制優(yōu)化思路開展優(yōu)化，效果評估如下：1）啟機(jī)時間優(yōu)化效果通過統(tǒng)計優(yōu)化機(jī)組切入風(fēng)速3m/s以上，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速50~并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的時間，即啟機(jī)時間，開展優(yōu)化前后對比，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖3.1和表3.2所示。圖3.1：優(yōu)化前后啟機(jī)優(yōu)化時間及占比分析表3.2：優(yōu)化前后啟機(jī)時間和損失電量分析由圖和表可知，從運(yùn)行時間對比，高于切入風(fēng)速的運(yùn)行數(shù)據(jù)中，優(yōu)化前，測試機(jī)組啟機(jī)時間2.13h；優(yōu)化后，測試機(jī)組啟機(jī)時間0.95h，啟機(jī)時間縮短1.18h，縮短比例55.4%。2）啟停機(jī)優(yōu)化效果選擇5臺優(yōu)化后機(jī)組進(jìn)行啟停機(jī)優(yōu)化后的發(fā)電量和發(fā)電時間評估，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3.2所示，其中發(fā)電量（等效滿發(fā)小時數(shù)）按機(jī)組出口統(tǒng)計。表3.2：啟停機(jī)優(yōu)化后發(fā)電量和發(fā)電時間表現(xiàn)由表可知，從發(fā)電量提升的角度，平均風(fēng)速越低，啟停機(jī)控制優(yōu)化的發(fā)電量提升效果越明顯。平均風(fēng)速從4.9m/s-5.7m/s發(fā)電量提升占比0.7%-2.07%不等。測試機(jī)組平均風(fēng)速5.32m/s，發(fā)電量提升比例平均為1.28%。（3）自耗電優(yōu)化效果原耗電功率主要通過變流器功率、機(jī)組出口功率之差確定，由于運(yùn)行時間和功率測量等因素導(dǎo)致采用此方式評估的提升比例出現(xiàn)失真?，F(xiàn)采用統(tǒng)計“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速-機(jī)組出口功率”的方式對比，確定相同轉(zhuǎn)矩指令下的機(jī)組出口功率變化情況。具體算法如下：1）耗電功率降低降權(quán)水平在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速之間，間隔1rpm劃分轉(zhuǎn)速bin區(qū)間，統(tǒng)計轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)功率頻次，求出平均功率，計算優(yōu)化后與優(yōu)化前平均功率差值，各bin區(qū)間內(nèi)差值與優(yōu)化后轉(zhuǎn)速頻次的乘積為區(qū)間功率折算值，對所有bin區(qū)間內(nèi)功率折算值求和，耗電功率降低加權(quán)水平為功率折算值總和與轉(zhuǎn)速頻次總和的比值。計算公式：其中，Pw為耗電功率降低加權(quán)水平，Pa為優(yōu)化后bin區(qū)間內(nèi)平均功率，Pb為優(yōu)化前bin區(qū)間內(nèi)平均功率，F(xiàn)a為優(yōu)化后bin區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)速頻次。2）平均功率占比將1）中各bin區(qū)間平均功率差值與優(yōu)化后平均功率相比得到優(yōu)化后區(qū)間功率占比，通過“并網(wǎng)~額定”轉(zhuǎn)速段內(nèi)計算區(qū)間功率占比算術(shù)平均值為平均功率占比。計算公式：通過數(shù)據(jù)分析，各機(jī)組耗電功率降低加權(quán)水平如表3.4所示：表3.4：機(jī)組耗電功率降低加權(quán)水平由表可知：①優(yōu)化機(jī)組前后對比看，自耗電加權(quán)功率降低5.87~8.13kw，降低比例0.86%~1.30%。②考慮環(huán)境因素，如環(huán)境溫度降低，更利于機(jī)組扇熱，機(jī)組自耗電本身有一定程度降低。因此，與未優(yōu)化機(jī)組對比確定降低水平。未優(yōu)化機(jī)組自耗電加權(quán)功率降低1.11~2.97kw，降低比例0.34%~0.50%。③測試期間，并網(wǎng)轉(zhuǎn)速附近，自耗電降低5~10kw，額定轉(zhuǎn)速附近，自耗電變化不明顯，考慮環(huán)境因素，自耗電降低水平加權(quán)平均在5.22kw左右，約為當(dāng)前功率水平的0.72%，自耗電優(yōu)化策略有效。（4）綜合優(yōu)化效果測試機(jī)組、對比機(jī)組均未存在長時間停機(jī)情況。將測試機(jī)組（奇數(shù)機(jī)組優(yōu)化）和對比機(jī)組（偶數(shù)機(jī)組不優(yōu)化）以SCADA統(tǒng)計的實(shí)際發(fā)電量比較。優(yōu)化前后時間段內(nèi)，SCADA發(fā)電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3.7所示：表3.7：優(yōu)化前后SCADA統(tǒng)計電量對比由表可知，以未優(yōu)化機(jī)組作為參考，測試機(jī)組使用啟停機(jī)優(yōu)化和自耗電優(yōu)化，發(fā)電量提升比例為2.38%。4.結(jié)語風(fēng)電機(jī)組增功提效旨在實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場提質(zhì)增效，增功主要實(shí)現(xiàn)發(fā)電性能提升，即增加實(shí)際發(fā)電量，提效主要保障機(jī)組安全可靠運(yùn)行，提升機(jī)組穩(wěn)定性，降低機(jī)組自身故障風(fēng)險。準(zhǔn)確評估機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)是開展增功提效的前提，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可掌握目標(biāo)機(jī)組的發(fā)電性能和運(yùn)行指標(biāo)。本文以某公司陸上3.4MW機(jī)組為研究對象，