风电场发电效率提升方案

王风兰 翟红晓 范晓波 席辉

摘 要：风电场在实际运行期间可以通过技术改造提升发电效率，根据国家电投（北京）新能源公司安排，组织有关人员对河南地区的风电场发电效率提升问题进行了专题分析研究，现将具体方案汇报如下。

关键词：风电场;发电效率;提升方案

一、基本情况

渑池丹峡风电场地处河南省三门峡市渑池县境内，升压站占地12.62亩，风机、箱变占地15.36亩，总装机规模48MW，年上网发电量9100万千瓦时，本期装设24台单机容量2MW的华仪风力发电机组，每台风力发电机接一台2300kVA箱式变压器，将机端690V电压升至35kV并接入35kV集电线路，经2回35kV架空线路送至风电场110kV升压站，再经一台50MVA主变压器升压至110kV，以1回110kV线路接入项目以西的110kV海露站。渑池丹峡风电场于2017年12月23日全部并网，2018年全年发电量为11083.55万千瓦时，全年利润为2365.37万元，渑池丹峡风电场全场进行改造之后，经测算发电量至少提升5%，全年利润增加118.28万元以上。

二、电量提升方案

（一）智慧双模发电控制技术

1.工作原理

传统双馈发电系统受制于电机转子端口电压，需要在特定的滑差范围内运行，电机发电转速也就被限制在一定的转速范围内。而在该转速范围内，风电机组的输出功率大小直接取决于当前电机的转速和风速。这就使得在风速较低的工况下，如果风机转速不能达到并网最低转速，则发电机不能并网发电。另外，从叶片的功率系数Cp曲线和双馈风力发电机的功率曲线对比可以知道，传统双馈机组在较低风速下，为了保证机组能并网发电，风机转速较高，叶片无法工作在最佳叶尖速比下，风机输出功率较小。

而对于双模系统，针对传统双馈系统工作的不同风速段，可以采用不同的运行模式，不受滑差的限制，保证系统在可发电风速区内始终跟踪最佳叶尖速比，最大效率的输出功率。当风机转速小于传统双馈机组的最低并网转速时，可以通过短接发电机的定子，使机组工作在异步发电状态，获得全功率风电系统的性能，提高机组的年均发电小时数。当风速较高时，可以切换回双馈模式。

双模控制模式能够有效的降低华仪2MW风机的切入风速，华仪风能公司化德三胜项目2.5MW机组双模改造后，5m/s风速以下的工况，机组整体发电量显著提升2%。功率曲线得到显著优化，切入风速降低至2.5m/s。

2.改造内容

渑池丹峡风电场风机双模改造工作分为两个部分，分别是硬件改造和软件升级。

（1）硬件改造。a.并网接触器和电机定子间并联一个定子短接接触器（上图中标注部分），定子短接接触器额定电流为700A。b.单板增加定子短接接触器的控制和反馈信号，配电增加定子短接接触器和并网接触器硬件互锁功能，防止并网接触器和定子短接接触器同时闭合将电网短接。

（2）软件升级。a.需要升级主控程序和变流器程序，在主控和变流器通讯协议中增加一位控制字，由主控变流器发送双馈或者鼠笼运行模式，如1代表鼠笼运行模式，0代表双馈运行模式。b.增加鼠笼异步模式的故障保护，列如修改过速、欠速门限设置，机侧过流故障保护，定子接触器故障保护;根据国际要求对电网进行无功补偿。

3.改造时长

在接触器采购完成后，华仪风能对风机进行改造，根据现场实际工作安排，一台风机改造粗略需2个工作日，全场工作完成需48个工作日。

（二）双PI控制

1.工作原理

双PI控制又可称为“最大风能捕获技术”，在并网转速和额定转速附近采用PI控制，并网转速和额定转速之间采用跟踪最佳尖速比控制的新控制策略，即双PI控制技术，能够实现风能的转换效率最大化，使风机能够最大程度的吸收风能，从而优化风机的功率曲线和提升风机的发电量。双PI控制策略解决了传统静态转速-转矩表控制的局限性，最大程度使机组处于最佳尖速比运行状态，达到提升发电量，优化功率曲线的目的，功率曲线对比如下。

控制策略对比图

2.改造内容

渑池丹峡风电场风机已经采用双PI控制，对原有控制算法进行优化作业，实现精细控制。此改造仅仅能够提升一小部分发电量，效果并不明显。山西新能源云雾峪风电场风机原本是单PI控制，改为双PI控制后发电量提升约12%。

3.改造时长

此方案仅对系统进行升级改造，工期较短，仅为5到7个工作日即可完成。

（三）额定功率提升及智能群控

1.工作原理

额定功率提升：在原有额定功率基础上，不改变机组结构配置，根据机组本身传动载荷、塔筒载荷情况及其他余量，在保证机组安全稳定的前提下，综合评估机组最大负荷裕度，从而确定机组超发百分比，通过提升机组额定功率，使得单台机组在额定风速下发电量提升，从而提升全场发电量。具有负荷裕度的风机可以实现机组超发，预计可使发机组年发电量增加1%-2%左右。在保证电网容量不存在问题情况下，额定功率提升该项方案使得机组发电效率能够发挥最佳的效果。

智能群控：在保证风场额定总量不超过的前提下，风能条件良好的风机实现超额发电，填补风能条件不好的风机，从而提升正常发电量大约2%。

2.改造内容

需完成负荷余量计算工作（华仪风能技术部已经测算完成），通过更改控制策略可以达到功率提升，预计能够提升5%，即额定功率需重新设置为2100kW。升级scada后台后，增加智能群控的功能，采用统一的控制策略。

3.改造时长

一周内能够完成风场所有风机控制策略的升级工作。

三、软切出（切出风速延伸）

（一）工作原理

软切出是指提高机组的切出风速，通过控制策略的优化，使机组能在切出风速以上的条件下继续发电。首先对风场超出设计切出风频进行统计，若评估风速段的发电收益可观，并且机组载荷在设计包络范围内，超出设计切出风速的风速段采用降转速和降功率运行，延长风机运行风速范围，在高风速增强发电能力。

（二）改造内容

对风机负荷进行评估，从而确定可实现可实现的发电量提升率;对风机控制器的风机切出和在切入风速进行重新配置。

（三）改造时长

一周内完成软切出的升级改造工作。

四、分析与建议

上述三个部分分别对基本情况、改造方案及报价进行说明，整体改造方案分為四个部分，其中主要能够发挥作用的改造项分别是双模控制和额定功率提升这两个工作项;双PI控制和软切出所起到的作用并不大，并且还需侵占风机在设计之初所留有的裕度。三门峡地区风速超出25m/s的情况极少，因此软切出改造对于丹峡风电场不是特别适用;丹峡风电场风机本身采用控制方式为双PI控制，程序优化之后对于发电量提升较为有限。并且华仪风能针对软件升级需收取改造费，其中接触器为硬件改造，需在厂家购买;其余为软件升级提升，此项为华仪自行研发，华仪风能公司收取技术费用。

综上所述，渑池丹峡风电场发电量提升存在较大空间，改造过程中硬件需添加模块，其余均为软件改造，软件改造价格可与华仪风能公司协商后降低，整体费用还存在下降空间。渑池丹峡风电场在整体改造采用主要改造措施之后，发电量能够提升5%左右，对公司的发展能够起到良好的作用，适合立即进行改造工作。