风电机组偏航校正分析方法研究

2017-05-25张伟雷阳张中泉

综合智慧能源 2017年4期

关键词：风向夹角激光雷达

张伟，雷阳，张中泉

(华电电力科学研究院，杭州 310030)

风电机组偏航校正分析方法研究

张伟，雷阳，张中泉

(华电电力科学研究院，杭州 310030)

偏航系统是风电机组关键部件之一，偏航系统存在一定的误差角度会影响机组的发电量。提出一种基于运行数据的风电机组偏航校正分析方法，该方法依据贝兹理论建立基于分风向夹角区间的模型，将机组数据采集与监视控制(SCADA)系统中的风速、风向夹角、功率、发电机转速、变桨角度、机组运行状态等相关参数进行剔除后输入模型，得到各风向夹角区间的功率曲线，通过对比分析得出机组的偏航误差值。采用该方法对云南蒙自某风电场进行实地测试，并利用机载式激光雷达测风仪进行验证，结果表明该分析方法是可行的。

风电机组；偏航系统；偏航校正；风向夹角；激光雷达测风仪

0 引言

风能是目前最具商业性和活力的可再生能源之一，具有成本低、清洁、对环境影响小等优点[1-2]。全球风能理事会发布报告称，2016年全球风电新装机容量超过54.60 GW，全球累计容量达到486.70 GW[3]。中国风能协会发布报告称，2016年中国风电新增装机容量为23.37 GW，累计装机容量达到169.00 GW；其中海上风电新增装机0.59 GW，累计装机容量为1.63 GW[4]。风电飞速发展的同时，在设计、制造、安装、调试、运维等过程中也逐渐暴露出一些问题。其中，偏航系统存在的偏航不对风、偏航误差较大等问题，不仅会导致机组的发电量下降，而且会影响机组运行的稳定性及安全性。

目前，风电机组偏航校正的常规方法是参照JB/T 10425.2—2004《风力发电机组偏航系统第2部分:试验方法》[5]，对比罗盘的刻度线和与风轮中轴线的夹角进行偏航校正。由于机组的塔筒、机架、轮毂等部件通常由铸铁类磁性材料制备而成，故利用该方法存在以下问题：(1)铸铁影响罗盘的正常使用，导致偏航校正效果较差；(2)由于基准问题，现场较难找到风轮的中轴线；(3)校正时需停机操作，影响机组的正常运行。故制订一套精度高、实施方便、不影响机组停机的偏航校正方法显得尤为重要。

1 风电机组偏航校正分析方法

1.1 风电机组偏航系统误差分析

在理想对风情况下，风电机组风轮的中轴线或其平行线与风向的夹角为0°，但由于风向仪制造、安装、调试过程中存在无可避免的误差，使得机组无法正对风，导致机组发电量下降。

根据空气动力学的贝兹理论[6]，风电机组捕获的功率P表达式如下

式中：P为风轮吸收的功率；ρ为空气密度；A为风轮扫风面积；Cp为风能利用系数；v为风速。

风向夹角是指测风仪所测的绝对风向与机舱中轴线的夹角，取为θ。若机组偏航存在系统误差，即机组始终无法正对风，则风电机组损失的功率Ps=P(1-cos3θ)，比如偏航误差为5°，计算得到发电损失达1.14%。

1.2 基于区间化的偏航校正分析方法

通常情况下，风电机组风向夹角θ超过一定角度(如±15°)时机组才开始偏航，将-θ～θ之间划分若干个区间，区间角度取为α。基于风向夹角的区间化模型如图1所示(为直观地显示，模型省略了叶片、机架、塔基等部件)。

图1 基于风向夹角的区间化模型

同样，按照上述区间划分方法将风速、发电机转速、功率、机组运行状态等参数进行区间化处理，并参考IEC61400-12-1—2005[7]标准剔除干扰数据后形成区间化的功率曲线，分析流程如图2所示。对比各区间的功率曲线找出功率曲线最优的区间，若-α/2～α/2区间的功率曲线最优，则认为该机组不存在偏航误差，若α/2～3α/2区间的功率曲线最优，则认为该机组偏航存在α的误差。理论上讲，α越小，偏航误差越小。

图2 基于运行数据的风电机组偏航校正分析流程

1.3 偏航校正分析方法的验证

激光雷达测风仪[8-9]是利用连续波(或脉冲式)激光技术并结合多普勒定律进行风速、风向等参数的精准测量。机载式激光雷达测风仪主要参数见表1。

表1 机载式激光雷达测风仪主要参数[8]

本文参考IEC相关标准，利用机载式激光雷达测风仪进行风向夹角分区间处理，得到各区间的功率曲线，并通过实际案例经对比分析制订一套适合风电机组偏航校正的分析方法。

2 试验及结果分析

2.1 试验背景

测试风电场场址位于云南省蒙自市，该风电场#30机组自投产来出力较差，从故障统计数据看，该机组故障率较低，未发现与其他机组有明显差别；综合考虑地形、故障、利用小时数、变桨性能等指标，怀疑#30机组的偏航系统可能存在一定的问题。

2.2 基于风向夹角区间化的偏航校正分析

采集到#30机组数据采集与监视控制(SCADA)系统中风速、风向夹角、功率、发电机转速、变桨角度、机组运行状态、机组停机时间、故障时间等参数，采集时间为2016-11-01—25，数据为30s平均值。

数据剔除参考IEC标准，制订的有效数据判据如下：(1)功率大于0.1kW；(2)桨矩角小于20°；(3)发电机转速大于1 050r/min；(4)非风速小于10m/s且桨矩角大于5°；(5)风向夹角小于15°且大于-15°；(6)非停机时间；(7)非故障时间；(8)非弃风限电时间。

数据剔除后，将#30机组的数据进行风向夹角区间化处理，区间角度为5°，区间范围为-15°～15°，得到8个区间(见表2)，功率曲线如图3所示。

表2 #30机组分风向夹角的8个区间

图3 #30机组分风向夹角的8个区间功率曲线

若机组偏航性能较好，区间[-5°,0°)和区间[0°,5°)的功率曲线是最好的，但结合图3可知，功率曲线较好的区间是区间5和区间6，即区间[0°,5°)和区间[5°,10°)。故#30机组风向仪调试时可能存在5.0°左右的偏航误差。

2.3 基于激光雷达测风仪的验证试验

为验证上述分析方法的有效性，利用机载式激光雷达测风仪进行试验验证。机载式激光雷达测风

仪安装于#30机组机舱顶部，激光窗的中心线距机舱顶部距离约1.6m，现场布置图如图4所示。

图4 机载式雷达测风仪现场布置

测风仪测试距离为5，15，25，45，65，95，130，163，195，260m。测风仪数据采集时间为2016-12-01—18，以1Hz的采样速率连续采集机载测风仪后台1s瞬时数据。

对采集数据进行处理，剔除规则参考第2.2节。数据剔除后，统计得到机载式激光雷达测风仪在不同测试距离的风向夹角平均值，见表3。

表3 激光雷达测风仪所测 #30机组风向夹角数据

由表3可知，机载式激光雷达测风仪所测不同测试距离的风向夹角总均值为5.6°，不同测试距离的风向夹角均值差异较小，故可认为#30机组的偏航存在5.6°左右的误差，发电量损失约1.43%。该分析结果与第2.2节中计算所得的偏航误差为5.0°的结论一致，偏差仅有0.6°，可认为上述分析方法模型精度较高。风电场根据本次分析结果对风电机组偏航系统进行了修正，理论上发电量可提高1.43%。

综上所述，基于运行数据的分风向夹角区间的功率曲线对比分析方法可以精准计算出机组偏航的误差值，通过机载式激光雷达测风仪进行试验验证，认为本文采用的基于激光雷达测风仪的风电机组偏航校正分析方法是可行的。

3 结束语

本文提出了一种基于运行数据的风电机组偏航校正分析方法，采用该方法对云南蒙自某风电场#30机组进行分析，发现机组存在5.0°左右的偏航误差，利用机载式激光雷达测风仪进行验证，发现#30机组存在5.6°的偏航误差，表明本文所提出的分析方法是可行、有效的，对机组偏航系统进行修正后，理论上发电量可提高1.43%。

若将该方法推广到整个风电场进行偏航校正，按平均一年提升1%的发电量计算，初步估算上网电价为0.50 元/(kW·h)、年等效满负荷利用小时数为2 000、装机容量为50MW的风电场年营收可增加约50万元。

本文提出的分析方法不仅不需要额外加装设备，节省人工检查的成本，而且精度高、操作方便，对促进我国风电行业的性能分析优化技术发展具有积极意义。

[1]王梦.对我国开发利用风力发电的思考[J].中国国土资源经济,2005,18(2):19-20.

[2]张东东.基于风向预测的风电机组偏航系统的研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学,2014.

[3]全球风能理事会发布《全球风电统计数据2016》[EB/OL].(2017-02-14)[2017-03-16].http://mt.sohu.com/20170214/n480689925.shtml.

[4]2016年中国风电装机统计简报出炉[EB/OL].(2017-02-17)[2017-03-16].http://www.cet.com.cn/nypd/sy/1893861.shtml.

[5]风力发电机组偏航系统第2部分:试验方法：JB/T 10425.2—2004[S].

[6]BURTON T.风能技术[M].北京：科学出版社,2014.

[7]Wind turbines generator systems part 12-1：Power performance measurements of electricity producing wind turbines:IEC 61400-12-1—2005[S].

[8]马东.激光雷达测风仪在风电机组偏航误差测试中的应用研究[J].应用能源技术,2015(11):5-7.

[9]杨伟新，宋鹏，白恺，等.基于机舱式激光雷达测风仪的风电机组偏航控制误差测试方法[J].华北电力技术,2016(7):59-63.

(本文责编：刘芳)