华电小草湖风电场二期GW66-1500风机切出风速优化

史 波，刘 哲

（华电新疆发电有限公司新能源分公司，新疆 乌鲁木齐，830000）

0 引言

近些年来资源能源危机加剧，由于越来越多越来越大规模的风机并入电网，各个地区限电量的加剧，伴随着风电行业上网电价逐渐下调，在有限的电网容量里，我们要找到可以增加发电量的方法，而风速切出优化方案，在对于风机20年的使用寿命，可以增加非常可观的发电量。是一种优化方便简单，快速有效的方法。

切出风速优化，顾名思义就是提高风力发电机组的最大工作风速，提升风能可利用率，增加风机利用小时数。并在原切出风速及新的切出风速区间降功率运行以及调整加阻算法，以确保在提高发电量的同时，不危害机组的安全性。

我们知道，在同地区电网容量是一定的，随着装机容量的提高，限电量也会随之加剧。而在大风天气，其他风场风机切出无法发电时，华电小草湖风场可以用优化后的风机继续发电，从而做到增加发电量，来提高电网营销。

1 项目背景

随着我国风力发电技术的日益成熟以及市场的竞争激烈化发展，到2020年，国内电力市场面临“风火同价”或“风火竞价上网”的竞争局面，对风电机组的发电能力要求逐渐凸显。

风力发电机在运行后，功率曲线是衡量机组性能的重要指标之一，由于地貌，风资源，气候以及其它因素的差异，造成各地风力发电机组功率曲线的不同。草湖二期风电场位于吐鲁番小草湖地区，使用33台GW66-1500机组。原GW66-1500风机为保护机组安全，在10min平均风速达到27m/s时，机组将自动切出运行。但对历年的风资源数据统计得出，测风塔有效风速段3～26m/s所占频率为56.97%，26～30m/s风速占比为2.93%。

部分地区的风场风频分布呈现出双峰的特征（如图1所示）或者长尾的特征（如图2所示）（图中x轴表示风速，y轴表示占用百分比，K=1.11为图形系数，用于确定曲线的形状。折线部分为测风塔实测数据风频占比，曲线为威布尔模拟数据风频占比）

图1 风频的双峰的特征Fig.1 The double peak characteristic of the wind frequency distribution

图2 风频的长尾的特征Fig.2 The long tail characteristic of the wind frequency distrubution

此类风场暴风风速段（25m/s以上）时间比较多，而GW66-1500机组的切出风速相对并不高，在10min平均风速达到27m/s切出后，没有充分攫取暴风风速段风含功率。为提高经济效益，我们对GW66-1500风机切出风速进行优化。通过研究、计算得出风速达到27～30m/s时，在安全的前提下提高机组切出风速的优化方案。

华电小草湖风电场内6050号侧风塔中提取2013年一年的数据，整理出风速3-30m/s的小时数分布图。图3框中的数据即为通过延迟切出优化后可额外提取能量的小时数。

图3 全年各风速段标准小时数Fig.3 The standard hour distribution at each wind speed in the year

华电小草湖风场对草湖二期GW66-1500风机载荷进行计算，通过2015年1～5月计算确认载荷满足要求后，将风机切出风速由27m/s放开至30m/s，并进行控制策略调整，理论年平均提升发电量6.65%，增加可利用小时数120h左右。

2 项目实施

2.1 优化内容简要说明

2.1.1 优化设计方案

切出风速优化属于软件优化与硬件优化相结合的方式。

硬件安装，即布置集群控制器。在中央监控设立一台工业PC，用于优化控制算法的计算及控制参数的发布，如图4所示。针对不同风场可以提供不同的优化策略，所有的软件类优化方式在通讯条件良好的情况下都可以通过这样的一台工业PC实现。集群控制器没有固定的安放位置，根据通讯柜内的空间合理安排即可。

图4 工业PC现场安装效果图Fig.4 Industrial PC site installation diagram

基于大数据和云平台支持，采用安装集群控制器达到功率提升控制算法和参数更新下发、程序的自学习、数据收集交互等功能，可以更合理地分配各机组负荷。集群控制器的工作原理如图5所示。

图5 集群控制器工作原理图Fig.5 The sketch diagram of cluster controller

软件优化，即切出风速优化的控制系统框图如图6所示。

图6 优化系统控制框图Fig.6 Optimizing system control block diagram

（1）根据风机风速测量模块测量的风速，经过滤波处理之后，依据一定的换算关系来计算得到发电机转速--电磁扭矩闭环控制回路和发电机转速—变桨速率闭环控制回路的发电机转速设定值，同时保持发电机的额定扭矩值保持不变；

（2）在发电机转速—变桨速率闭环控制回路中引入风机Fore-aft（机头-机尾）方向加速度控制信号，以此来降低风机Fore-aft方向震动幅度以及塔架My弯矩的疲劳载荷以及极限载荷；

（3）在发电机转速—电磁扭矩闭环控制回路中引入风机Side-side（侧面）方向加速度控制信号，以此来降低风机Side-side方向振动幅度以及塔架Mx弯矩的疲劳载荷。

2.1.2 设定设计目标

简单地说，切出风速优化就是提高切出风速，并在原切出风速及新的切出风速区间降功率运行以及调整加阻算法，以确保在提高发电量的同时，不危害机组的安全性。整个设计过程是一个系统性的迭代设计过程，如图7所示。具体发电量提升效果需要对现场风资源作详细分析，但对于I类风区而言效果最理想，高风速（25m/s以上）发生小时数越多，效益越好。

图7 风速切出优化系统设计过程Fig.7 Design process of wind speed cutting out optimization

新切出风速必须根据项目现场的风资源状况以及机组本身的设计安全裕量共同决定。由于发电量的提升对切出风速优化的影响主要体现在25m/s以后的风速段，因此项目现场的年风频分布尤其重要。对于I类风区，依据瑞利分布计算出的各风速区间发生小时数及累积发生小时数分别如图8、图9所示。

利用图8可以估算出年增发电量，在给定初步年增发目标值的前提下可以确定新的切出风速。本项目的切出风速设定值为30m/s。由于最终的功率曲线会受到机组安全性的约束，最终年增发电量可能偏离初始设定值。（x轴表示平均风速，y轴表示发生小时数）

2.1.3 初步安全评估

图8 各风速段发生小时数Fig.8 The Hour distribution of each wind speed segment

图9 累积发生小时数Fig.9 Cunmulative occurrenec hours

机组的设计指标主要有部件极限载荷、部件疲劳载荷、塔筒净空、机组最大转速、最大轮毂制动力矩等。根据IEC61400-1及以往的开发经验，作为前期估算，需要重新考虑的主要是叶根、轮毂中心，及塔筒底部极限弯矩，而且限定在DLC1.1、DLC1.5、DLC4.2等少数几个工况，可以直接计算，也可以通过以往的经验进行推测。切出风速优化对疲劳载荷的影响体现在DLC1.2、DLC2.3以及DLC4.1。一般而言，DLC2.3以及DLC4.1发生的情况比较少，故认为它们的变化对最终疲劳载荷影响不大。作为近似可以只考虑DCL1.2变化带来的影响，更细致的分析应该通过载荷时间序列进行疲劳强度分析，通常可以先以等效疲劳载荷作为考察指标。

典型的塔筒弯矩疲劳计算结果如图10所示，图中前13个弯矩（DLC1.2工况）对应于平均风速为3～25m/s的风速区间，间隔2m/s，通过简单计算可以得知，当SN曲线反斜率取4时，引入切出风速优化前后，疲劳载荷的变化比较小，不会超过4%。这里只是针对单个部件的一个载荷指标得出的结论，其他部件或其他载荷指标可以通过类似的方法得到。

图10 典型的疲劳载荷计算结果Fig.10 Typical fatigue load calculation

2.1.4 完全的机组安全性评估

风机所有机械部件的载荷都必须控制在设计值以内，因此需要严格依照IEC 61400-1对所有部件关键指标进行校核，一旦出现部件载荷超出设计范围需要重新调整功率曲线或控制算法再进行设计。在文件GW-06SS.0426《GW66/1500机组暴风控制算法整机载荷适应性分析报告（华电新疆小草湖一场三期项目、HT31.8叶片、轮毂高度65米）》-A和GW-06SS.0427《GW66/1500机组暴风控制算法整机载荷适应性分析报告（华电新疆小草湖一场四期项目、HT31.8叶片、轮毂高度65米）》-A中，机组的整机载荷已通过验证，满足载荷安全需求。

2.1.5 切出风速优化的适应性

理论上，本方案适用于所有风电场。针对任何风电场均可对切出风速进行不同程度的提高，但具体提升幅度需要根据风电场的机型及具体风况。

机组实际发电量的提升不仅与机组的功率曲线有关，还取决于风电场实际的风频分布。从经济性角度考虑，通俗地说，高于机组原切出风速以后的风频越高，引入切出风速优化后可提升的发电量也就越多。因此本方案主要适用于风能比较丰富的I类风区及部分II类风区。

2.2 优化后理论电量

优化后风机功率曲线见表1。

将测风塔模拟为一台GW66-1500型风机，进行理念发电量计算。由于测风塔风速分布不符合威布尔分布，利用10min时间序列数据与风机优化前后功率曲线，分别计算理论发电量。

表1 优化后风机理论功率曲线表Tab.1 Theoretical power curve of fan after optimization

式中Vn—折算后的风速值；

V10min—测得的10分钟平均风速值；

ρ10min—所得到的10分钟平均空气密度；

ρ0—标准空气密度。

理论发电量计算结果见表2。

表2 风机功率曲线优化前后理论发电量计算表Tab.2 Calculation table of theoretical power generation before and after optimization of fan power curve

由上表可知，风机功率曲线优化后，年理论发电量约可增加6.65%。

3 实施效果

华电小草湖风场“切出风速优化”项目于2015年7月开始改造，于2015年8月6日完成，统计采用从全球监控数据库内拷取的十分钟数据，通过对2015年8月7日至2016年8月14日数据统计，风速范围取每台机组十分钟数据中27～30m/s风速功率数据，增益效果见表3。

表3 2015年8月7日至2016年8月14日运行数据统计Tab.3 Operation data statistics from August 7,2015 to August 14,2016

4 总结

33台机组合计提升电量477.4万kWh即提升96.4标准小时，损失电量677.2万kWh，即提升136.8标准小时（包括限功率和故障损失）。合计累计增加电量1154.6万kWh，即提升233.3标准小时。

33台共5万千瓦装机投资总计396万元。不限电投资回收期：396/670=0.57a，约7个月收回成本；按统计期限电情况（58.65%限电率）：396/276.9=1.43a，约1.5年收回成本。

5 结语

风力发电应用前景好，技术成熟，成本较低且规模效益显著，是发展最快的新型能源。而更加合理运用风资源，可以在有限的电网容量里创造出更多的发电量。

[1]徐大平，柳亦兵，吕跃刚.风力发电原理[M].北京:机械工业出版社，2011:1-7．

[2]赵海亮,郭鑫.风力发电的技术综述[J].河南科技,2013,1．Zhao Hailiang,Guo Xin.Overview of wind power genera⁃tion technology[J].Henan science and technology,2013,Vol⁃ume 1.

[3]李建军.风力发电并网对电力系统安全的影响及应对措施[J].河北企业,2014．Li Jianjun.Influence of wind power generation on the safety of power system and Counter measures[J].Hebei Enterprises.