风力发电机组功率曲线的分析与优化措施

李强

关键词：功率曲线;桨距角;测风仪;参数;控制策略;优化

0、引言

功率曲线是风力发电机组的设计依据和认证、考核的技术指标。功率曲线可以反应功率特性、风能转换效率，体现出机组的运行方式和控制策略，首先功率曲线的准确诊断分析建立在真实数据的反映和科学的数据处理的基础之上，机组的功率曲线如果超出设计的标准功率曲线，将使风力发电机组处于过负荷状态，影响机组寿命;而实际测试功率曲线低于标准功率曲线时，又影响机组的发电量，降低投资回报率。因此功率曲线的分析和优化措施至关重要。

1、功率曲线的影响因素

通过分析风能公式的各种影响因素，为我们分析异常功率曲线指明了方向。

2、异常曲线分析

2.1 低风速段高于保证曲线

低风速段比保证曲线高，如图2.1所示，该问题不作为本文讨论重点，但基本上所有机组都会存在，对此推测可能原因：

（1）部分SCADA系统无功率密度修正功能，导致显示出错。功率曲线受空气密度影响较大，在同等风速下，空气密度正比于发电功率，夏天和冬天的空气密度往往差 20～30%左右[2];

（2）传统的机械式风速仪在低风速段测量出来的风速偏小。如存在润滑问题或者从小风上升到大风的过程中，风速仪的响应偏慢（另一方面，在大风下降到小风的过程中，也会导致中等风速段测量的功率曲线偏差）;

（3）保证曲线在该风速段需要适当修正。

2.2 低风速段低于保证曲线

低风速段比保证曲线低，该问题存在较少，对此推测可能的原因：

（1）阵风频谱和湍流强度的影响;

（2）因风速波动造成控制策略中偏航响应时间延长;

（3）低风速段控制策略未优化。

2.3 中等风速段偏离保证曲线

在中等风速段（拐点以前曲线，8-12m/s 左右风速段）偏离保证曲线，如下图2.2所示：

该情况主要原因是风能捕获效率存在问题或者气候条件影响：

（1）桨叶刻度调零偏差;

（2）风向标校准偏差;

（3）偏航响应迟缓;

（4）机组处于“附加转速”运行状态（仅 Bachmann等系统）;

（5）齿轮箱变速比设置错误;

（6）在中等风速以上，部分叶片在空气密度比较低时（夏天，或高海拔条件下），存在“失速”现象，叶片气动效率降低;

（7）紊流或者空气密度影响，导致该风速段所捕获的能量比较少。

以上（1）、（2）两种情况往往会并存，由于风轮系统的大惯性特点，而风速变化又比较快，因此这两种情况往往会互相影响，如额定点的偏低往往会拉低额定点（拐点）前中等风速段的效率;而中等风速段的捕获效率差，往往会导致进入满发点的风速点相对偏大。

2.4 额定点偏离保证曲线

额定点（高风速段的拐点以后曲线，风速约在 12m/s 以后）偏离保证曲线，偏离范围可以从几十个 kW 到上百个 kW 之间，如下图2.3所示：

经过查询运行详细参数造成该情况主要原因是：

（1）额定点设定有问题，风机还没达到标准值时，变桨就提前动作。如出现限负荷（机组内部的保护性降容运行、手动限转速、风场功率调度等，限负荷数据原则上不进入功率曲线统计范围，但有部分主控厂家功率曲线统计规则可能有误，导致生成的功率曲线出现较大问题，该部分在功率曲线统计部分还有补充描述）、机组额定点没有调整到标准要求;

（2）主控与变频器 4-20mA 力矩信号[2]没有校准好，因信号接口松动或者通讯线缆较长、接触不良、屏蔽差等情况所导致，因此需要下发力矩指令对变频器与主控系统间的线缆进行校准;

（3）主控的变桨算法 PI 参数设置有误，在额定点功率稳不住，波动较大。

3、优化措施

3.1 内部优化

1）桨叶调0

Cp是叶尖速比λ和叶片节距角的非线性函数，因此风机的Cp曲线都可以表示成与叶尖速比λ和节距角的关系式，如图3.1所示。

核对机组3只叶片的绝对0刻度，对其进行校准。桨叶角度偏差大可从2种方式甄别，后期运行中偏差可通过单只桨叶A、B編码器对比得出或三只桨叶偏差得出;还可通过机组的运行振动曲线得出，即偏差大时机组振动幅度较大且呈周期性变化，功率曲线不平滑，长期运行将对风机的械部件造成永久性损伤，比如，机组主轴后窜、轴承高温、螺栓断裂等。

2）风向标校准

风向标是机组的“眼睛”，若风向标无法准确、灵敏的感知和反馈风向，机组将处于“失盲”状态，无法使机组正面迎，降低机组风能捕获能力，极大的降低机组功率曲线，减小发电量，因此校准风向标十分重要。

3）测风仪润滑

风杯风速仪原理是随转速的升高转矩降低，基本呈直线关系。在恶劣环境下运行转矩增加误差变大，可通过修正来抵消这部分的误差，还可通过对测风仪进行去污、润滑来提高灵敏性和准确度。

4）测风仪加热器

冬季时若测风仪加热器不工作会导致摩擦力增大，如图3.2所示，测量误差加大，因此要检查加热器回路是否正常工作。

5）测风仪信号

在测风仪信号传输中接入了浪涌模块，浪涌模块的精度直接决定着点信号传输的质量，因此检查浪涌模块也是至关重要的。

6）KL3404风测量模块

测风仪将信号输出到KL3404测量模块，KL3404是AI模块，通过电流大小转换来表征风速、风向信号，若该模块异常将影响风信号的正常传输，机组功率曲线将变化。

7）主控—变频器力矩传输

主控与变频器之间的转矩信号是通过通讯数据线来传输4～20mA的电流值，若主控到變频器的电流值减小，变频器将减小力矩输出，机组功率降低，反之亦然，校准通讯数据线的电阻值可以精准控制功率。

8）机组参数

变桨系统PI参数、主控转矩、转速、功率设定也将影响机组的功率，设定值过小导致提前收桨，功率减小，降低发电量。

9）控制策略

功率控制算法及控制策略都会导致机组功率控制有偏差，目前机组以差查表法来控制功率、转矩、转速等变量，其无法根据实际实时的调节变量，可用双IP控制器或者爬山搜索算法、神经网络算法、智能自适应学习法来取代传统的查表法加快寻优[3]，控制策略、功率曲线修正都是建立在合理的基础上，切不可为了优美的功率曲线而违背理论基础，随意修改。

3.2 外部优化

1）加长叶片

可提高风能捕获能力，增加机组的功率，且在低风速有较好的发电性能。

2）增加塔筒高度

根据风阔线模型，随高度的增加风速呈增大趋势，在地势低的地方效果显著。

3）加装叶片扰流器

根据风速风频数据在需要改造的风速段，模拟仿真加装叶片扰流器的位置和效率，通过加装叶片扰流器可提高机组功率。

4）迁移机组

若在内外优化均无法改善机组的功率曲线，机组长期无法满发，应重新对风资源进行评估，迁移风电机组。

4、总结

功率曲线是间接反映风力发电机组运行状态和风电场运行分析的技术指标。风功率曲线的影响是外部环境和机组自身共同作用的结果，体现的是机组所处的环境工况的优劣、获取风能的水平和机组本身的控制特性，有些外部环境影响很难克服，如：湍流强度、空气密度、叶片长度、高度机组等，因此我们应提高各测量传感器的标定水平，通过调整机组控制策略、寻找最优解等方式改善机组的功率曲线，有效提升发电量。

参考文献

[1] 赵丹平，徐宝清.风力机设计理论及方法[M].北京：北京大学出版社，2012.01.

[2] 常峰.风力发电机组实际运行功率曲线的优化方案应用的研究[D].华北电力大学，2016.06.

[3] 罗清顺.大型变速变桨风力发电机组的先进控制技术研究[D].浙江大学， 2016.01.