布拉夫角风电场扇区管理优化分析

文 | 李早，高辉

文 | 李早，高辉

扇区管理技术就是对风电机组在某预先设定的时段、风向、风速区间上实施顺桨、停机操作，其目的是在特殊风况下，降低风电机组载荷或减小由于湍流造成的振动对风电机组设备及叶片的危害，以降低发电量为代价确保风电机组安全运行。扇区管理技术在国外风电场的应用已较为成熟，知名的风电机组制造商，如维斯塔斯、西门子等都拥有完整的技术和实际运行经验。

我国大规模的风电开发始于2007年，近几年发展势头迅猛，已连续五年装机排名世界第一。但在国内风电场的设计和实际运行中，装机容量、发电量、投资额往往是关注的重点，对风电机组运行的安全性相对关注较少，对风电场扇区管理技术和方法鲜有报道。

然而，随着风电开发的突飞猛进，可供选择的地势平坦、风能资源丰富、风况稳定的大型风电场场址已较为稀缺。新建风电场选址密集，在实际运行中往往出现设计阶段未曾考虑的严重尾流叠加效应，可能导致个别风电机组在某个风速、风向的特殊风况下出现超出设计值的疲劳载荷或极限载荷，从而影响风电机组安全运行。同时，由于电网接入、消纳问题，大型风电场的弃风限电问题较为严重，越来越多的风电场选择在沿海山地或内陆山地等靠近负荷中心的区域开发。此类地区地形条件复杂，对于个别特殊地理条件的机位，在某些风况下，容易产生较大的湍流，影响机组安全运行。我国南方某风电场就曾发生过由于地形原因，造成个别机位湍流强度过大，引起风电机组振动，导致机舱与塔筒连接螺栓断裂，险些发生重大事故的案例。

冗余过大的扇区管理设置容易造成不必要的发电量损失，有必要根据风电场的实际运行情况对扇区设置进行优化调整。本文介绍了澳大利亚布拉夫角风电场的扇区管理设置，并通过分析与风速、风向有关的风电机组故障报警，确定风电机组异常振动的高发扇区，在最大限度减小发电量损失的前提下优化扇区设置，既提高了扇区设置的合理性、减少了发电量损失，又保证了机组的安全运行。

布拉夫角风电场扇区管理现状

一、扇区管理技术

当风电机组在某特殊风况下工作时，如极大风速、湍流强度或机组入流角大于设计值时，可能会造成风电机组叶片、轮毂、机舱、塔筒等重要部件发生严重的振动、不均匀受力或扭转的情况，使得机组整体或局部发生疲劳载荷或极限载荷超出设计值的情况，对风电机组设备造成损害。扇区管理技术就是在特殊风况频发的特定时段、风向、风速的扇区内，对风电机组实施顺桨停机，降低特殊风况对风电机组的损害，以降低发电量为代价，保证风电机组安全运行。

影响风电机组安全运行的风况参数主要有平均风速、最大风速、极大风速、湍流强度和入流角度等，其中过大的湍流会造成风电机组异常振动，是扇区管理的重点。

风电机组承受的有效湍流强度由环境湍流强度和风电机组尾流产生的湍流强度两部分组成。某区域内异常的环境湍流强度主要由突发极端气候或复杂地形使稳定气流发生挤压、加速、紊乱，从而造成湍流强度发生显著变化所引起。对于风电场而言，要求湍流强度值不超过0.25。对于正常湍流模型（NTM），湍流强度可由下式给出：

表1 风电机组等级基本参数

其中：IT为湍流强度，Vhub为轮毂高度处10min平均风速，b＝5.6m/s，Iref为风速为15m/s时湍流强度的期望值，可根据风电机组等级按表1选取。

极端风况下湍流强度计算见GB/T 18451.1－2012。

二、布拉夫角风电场扇区管理

布拉夫角风电场位于澳大利亚塔斯马尼亚州西北角，总装机容量6.475万kW，安装37台维斯塔斯V66风电机组，单机容量1.75MW，叶轮直径66m，塔高67m。风电场地处南纬40度至49度之间的西风带，风能资源非常丰富，是全球容量系数最高的风电场之一，年平均风速11m/s，主风向SW。

风电场风电机组排布如图1所示，场内地势较为平坦，风电机组整体排布临近沿海。由于沿海峭壁海湾地形较为复杂，在特殊风况下会对气流产生诱导作用，风电场投产运行后，部分机位出现了机舱振动、叶片舞动的现象。针对这种情况，风电场对叶片舞动较为剧烈的CB、EE风电机组实施了扇区管理，见表2。同时，在风电机组机舱内安装了加速度仪，以更精确地掌握风电机组振动规律。

扇区管理优化

一、扇区管理优化思路

在风电场设计阶段，可根据各机位处湍流强度计算结果进行扇区管理设置。然而，在实际运行中，由于复杂气流、复杂地形以及尾流叠加等因素的影响，实际运行状态与设计工况往往存在差异，这就需要根据实际运行情况，不断优化调整扇区管理设置。

图1 布拉夫角风电场风电机组排布图

图2 CB、EE机位风玫瑰图

表2 CB、EE风电机组现有扇区管理

风电机组运行期间，当发现机组在某风况下出现异常振动时，可以根据实际情况实施扇区管理，统计分析与风向、风速相关的故障报警，确定故障报警频发的风况，从而科学地优化扇区设置。扇区优化的思路包括：

（1）分析拟优化风电机组机位的风况分布，得出风玫瑰图，确定现有扇区管理对风频的覆盖比例；

（2）统计分析与风向、风况有关的风电机组异常振动造成的故障报警长期数据，确定故障报警频发的风向扇区和风速区间；

（3）根据故障报警分布规律，优化扇区设置。优化的原则是在最大限度覆盖异常报警扇区的前提下尽量减少扇区覆盖面积，同时应尽量避开机位主风向。

二、布拉夫角风电场扇区管理优化

图2为布拉夫角风电场CB、EE机位的风玫瑰图，可以看出西南风是主风向。由于地理位置不同，两个机位风频分布略有差异，EE机位的西南风频显著大于CB机位。现有扇区管理设置分别覆盖CB、EE风电机组总风频的14%和23%，由于扇区管理设置，CB、EE风电机组的年平均可利用率分别为84%、78%，显著低于风电场年平均可利用率97%。

在某特殊风况下产生的过大湍流会造成风电机组发生异常振动，加速度仪会在振动幅值超过限值时向系统发出偏航保护报警（故障代码891）。另外，由于湍流风的作用，风电机组叶片频繁变桨，从而触发液压系统低压报警（故障代码163）。因此分析这两种故障报警的分布规律就可以确定引起过大湍流强度的风向扇区和风速区间，从而更精确的设置扇区管理。

CB、EE风电机组在一年内发生891和163故障报警情况如下表3。值得一提的是，不仅故障发生时的风向、风速需要分析，在故障造成停机时间内的风向、风速可以认为是位于引起较大湍流强度的风况区间内，也应予以记录，本文以停机时间内10min平均风向、风速频次作为分析基础。

图3为891、163故障报警扇区分布以及现有扇区管理位置，分析如下：

图3 故障报警分布和扇区管理优化

表3 CB、EE故障报警统计

表4 CB、EE风电机组优化后扇区管理

对于CB风电机组（图3a），现有扇区管理覆盖了51%的891故障报警以及95%停机时间内的风速风向频次。由图3a可以看出，在现有扇区设置范围内，风向在200°－230°之间时，故障报警发生次数较少，并且处于主风向范围内，可以减小扇区管理面积。同时，风速大于10m/s、风向在250°－260°的区间是891故障报警高发区，应设置扇区管理。

对于EE风电机组（图3b），现有扇区覆盖了22%的891故障报警、85%的891故障停机时间内的风向风速频次，以及28%的163故障、22%的163故障停机时间内的风向风速频次。由图3b可以看出，在现有扇区设置范围内，当风速大于15m/s，风向在290°－340°区间内，故障发生较少，可以取消该扇区设置。同时，无论是891还是163故障，风速5m/s－12.5m/s、风向250°－280°以及风速大于5m/s，风向220°－250°是故障报警的高发区域，应设置扇区管理。

根据以上分析，对CB、EE风电机组扇区管理进行优化，优化后的扇区管理设置见表4。

对于CB风电机组，优化后的扇区管理能够覆盖61%的891故障报警、85%的891停机时间内风向风速频次。同时，覆盖的总风频比例降低至10.2%，年平均可利用率可提高至88%。

对于EE风电机组，优化后的扇区管理能够覆盖80%的891故障报警、86%的891停机时间内风向风速频次，以及86%的163报警、89%的163停机时间内风向风速频次。同时，覆盖的总风频比例降低至20%，年平均可利用率提高至81%。

结语

根据风电场的实际运行情况对扇区管理进行优化，能够在尽量减少扇区管理技术造成发电损失的同时保障风电机组安全运行。本文介绍了基于故障报警统计分析的扇区管理优化方法，并以澳大利亚布拉夫角风电场为例，详细说明了优化过程。分析表明，通过分析与风况有关的故障报警从而对扇区管理进行优化，可以更科学地优化扇区设置，增加扇区对故障频发区域的覆盖面积，并降低对总风频的覆盖，提高风电机组可利用率和发电量。