风力发电机组高于切出风速的降容增效优化运行

胡湘涛，张晋磊，向宗原

(大唐凉山新能源有限公司，四川 普格 615300)

0 引言

随着我国风力发电装机容量的不断升高,并网风电的波动性及反调峰性给电力系统稳定带来了巨大影响。拓展风力发电机组的可利用风速范围、提高风力资源的利用空间、维持风力发电机组(以下简称风机)出力的持续稳定，是当前风电行业研究的重要课题。对高于设计切出风速运行的风机进行降容增效，是继加长叶片、增加机组额定功率等方式之外的另一项提高风能汲取和转换效率的途径。在完备的保护措施下，风机在高于设计切出风速的一段区间内可降低机组出力继续运行，从而在提高自身发电效益、拓宽机组的可利用风速范围，为维持风电场并网出力稳定作出了贡献[1]。

1 项目概述

大唐海口风电场位于海拔3 400～3 600 m的四川省凉山州高原山地上，装机容量50 MW，由17台FD108型(设计切出风速为25.0 m/s)和8台FD116型(设计切出风速为20.0 m/s)双馈型风机混排组成。2018年5月底，最后一批风机已并网发电。为挖掘风电机组的发电潜力、提高设备可利用率，提出了风机高风速下降容增效的研究课题，通过参照FD108型风机的运行方式，以FD116型风机为对象进行研究和论证，使FD116型风机在风速处于20.0～25.0 m/s之间时(高于20.0 m/s后不停机)，降低机组负荷继续运行，从而提高风电场发电效益、拓宽风电机组的实际可发电风速范围(见表1)[2]。由满负荷停机改为降负荷运行，一定程度上减小了风电场并网出力的波动，为保持电网稳定做出了贡献。

2 优化方案概述

当地的风向、风速如图1所示。当FD116型风机在20.0～25.0 m/s风速下降容运行时，风速高于设计切出风速，通过降低设定功率(如图2所示)降低机组出力，使机组在满足载荷要求、保障安全运行的情况下，在高于原设计切出风速的工况下不再停机，而是通过查找降容风速功率表确定当前设定功率，使机组保持并网运行，提高发电量。风机保护逻辑定值见表2，风机降容运行的控制逻辑设计如图3、图4所示[3]。

表1 区间风速为20.0～25.0 m/s的机组发生小时数Tab.1 Number of hours within 20.0～25.0 m/s wind speed

图1 风场风向玫瑰图(m/s)

Fig.1 Wind rose diagram(m/s)

图2 FD116机型设定功率曲线

Fig.2 Power curve of FD116 generator

3 风机安全试验载荷对比分析

选取了关键部件的极限载荷和疲劳载荷，将机组降容运行载荷与风机运行设计载荷进行对比，确保降容运行时的机组载荷在设计的安全范围内。

Fig.3 Gale shutdown logic of wind turbine

图4 风机回切并网运行逻辑

Fig.4 Wind turbine back-cut grid operation logic

3.1 极限载荷对比

分别选取Mxy，Myz作为叶根、静态轮毂、旋转轮毂和偏航轴承在x-y向与y-z向的极限载荷，分析结果见表3。降容运行时的关键部件载荷小于正常运行载荷，机组运行在设计安全范围之内。

表3 极限载荷对比结果Tab.3 Ultimate load comparison results

3.2 疲劳载荷对比

选择载荷系数m=4，x向、y向、z向的疲劳载荷为Mx，My,Mz，对关键部件进行对比分析，结果见4。

表4 疲劳载荷对比结果Tab.4 Fatigue load comparison results

结合表3、表4，暴风期间降容运行后极限载荷与疲劳载荷低均于正常运行载荷的设计值，机组降容运行无安全风险。

4 优化方案产生的效益

4.1 经济效益分析

机组降容运行能够有效提升发电量。以年平均风速为6.5 m/s的发生时间为例，对降容增效后的海口风场进行年新增发电量的估算(见表5)，风电场在生命周期内可新增收益约108 362.4元。

4.2 行业效益

风机高于切出风速的降容增效的实施，拓宽了风电机组的可利用实际可发电风速范围，减小了风电场对电网的波动范围，为风电机组保持电网稳定作出了贡献，提高了风电机组的竞争力。

表5 海口风电场年新增发电量和收益的估算Tab.5 Estimation of increasing power generation and revenue in Haikou Wind Farm

5 结束语

经过论证和研究，设置适当的功率指令，辅以组态完备的并经过测试试验的保护逻辑，使运行风机的各部件的极限和疲劳载荷都在机组设计的安全范围之内，风电机组在高于设计切出风速下进行降容运行是安全可行的。

降容运行增加了风电机组的发电量，提高了风电机组的可利用时间，也为风电场保持并网出力稳定做出贡献，今后可以成为风电场提效增发的一个重要研究发展方向。