【摘 要】 隨著我國(guó)雙碳目標(biāo)的提出與電力需求增長(zhǎng)的雙重推動(dòng)下，風(fēng)電、光伏等可再生能源將迎來(lái)爆發(fā)式大規(guī)模增長(zhǎng)。隨著技術(shù)發(fā)展與迭代，客戶對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電性能和可靠性要求越來(lái)越高，對(duì)在役風(fēng)電機(jī)組發(fā)電能效更加關(guān)注，如何提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率成為行業(yè)首要關(guān)注點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵點(diǎn)。本文從降低故障率、提高可利用率和提升機(jī)組發(fā)電性能方面深入剖析大型發(fā)電機(jī)組增能提效方法，經(jīng)仿真和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，這些方法可切實(shí)提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。

【關(guān)鍵詞】 風(fēng)力發(fā)電組 發(fā)電效率 增功提效 降低故障率

作者：國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司 王云濤 倪維東 王永鋒

來(lái)源：《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》2024.06 、《第十屆中國(guó)風(fēng)電后市場(chǎng)交流合作大會(huì)論文集》

引言

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，新能源行業(yè)走上了迎來(lái)快速發(fā)展的高速通道。風(fēng)力發(fā)電作為新能源重要組成部分，國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘坎粩嘣鲩L(zhǎng)，截至2022年12月底，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到3.65億千瓦。根據(jù)《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出，國(guó)家將“大力提升風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模”。預(yù)計(jì)“十四五”期間我國(guó)風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)將達(dá)到5.4億千瓦。隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和管理水平的提升，風(fēng)電機(jī)組安全問(wèn)題已是最基本要求，從業(yè)人員更加注重技術(shù)細(xì)節(jié)，開始重視風(fēng)電機(jī)組控制水平和發(fā)電效率，如何提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率則成為關(guān)注焦點(diǎn)。這就要求行業(yè)相關(guān)廠商不斷深入研究如何提高風(fēng)電機(jī)組效率和可靠性、降低維護(hù)成本，并提供各種實(shí)際應(yīng)用的提效方案。

通常情況下，風(fēng)電行業(yè)內(nèi)采用等效利用小時(shí)數(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)估機(jī)組的發(fā)電性能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的等效利用小時(shí)=年度總發(fā)電量/機(jī)組額定功率，以上公式中，對(duì)于在役風(fēng)電機(jī)組的額定功率是確定的，直接影響等效利用小時(shí)的因素是年度總發(fā)電量，影響年度總發(fā)電量的因素主要包括以下方面：

（1）氣象條件，包括風(fēng)速、空氣密度、湍流強(qiáng)度等；

（2）機(jī)組的故障率，機(jī)組可靠運(yùn)行時(shí)間；

（3）風(fēng)電機(jī)組自身發(fā)電效率情況。

由于上述影響因素（1）屬于自然條件，本文僅從影響因素（2）和（3）兩個(gè)方面進(jìn)行研究與分析。根據(jù)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)大量的理論研究，在降低機(jī)組故障率和提升機(jī)組自身發(fā)電效率兩大方向，針對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組提出以下切實(shí)可行的增能提效方案和方法。

1.降低故障率、提高可利用率

目前，我國(guó)前期投運(yùn)的風(fēng)機(jī)主體已開始進(jìn)入故障多發(fā)期，其中占比較高的是旋轉(zhuǎn)類的機(jī)械故障，多是由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械潤(rùn)滑相關(guān)，由此可見對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)組部件潤(rùn)滑是非常重要。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，齒輪箱和軸承損壞不是風(fēng)電機(jī)組故障占比最高的，卻是造成風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)的故障，其中，潤(rùn)滑問(wèn)題和缺少定期維護(hù)是該類故障的主要原因。因此，重視機(jī)組重要設(shè)備潤(rùn)滑和機(jī)組定檢維護(hù)工作，對(duì)于大型風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行尤其重要。

1.1機(jī)械部分的潤(rùn)滑

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要潤(rùn)滑的部分主要包括主齒輪箱、偏航和變槳齒輪箱及液壓控制系統(tǒng)，變槳軸承、偏航軸承、主軸承以及發(fā)電機(jī)軸承等，其中最關(guān)鍵的部分是主齒輪箱。它作為雙饋型、半直驅(qū)型機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的核心，一旦出現(xiàn)故障，主齒輪箱的更換會(huì)將帶來(lái)極大的損失。建議風(fēng)機(jī)設(shè)備維護(hù)人員挑選性能匹配均衡的潤(rùn)滑油，可以有效保護(hù)旋轉(zhuǎn)器件，延長(zhǎng)器件壽命，減少停機(jī)時(shí)間。高效合理的潤(rùn)滑管理，是保證風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本措施之一。提升潤(rùn)滑管理水平，可以預(yù)警設(shè)備故障，減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間，提高運(yùn)維效率，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

1.2定期檢修和日常維護(hù)

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的日常維護(hù)和定檢工作非常重要，日常的機(jī)組的故障缺陷要求能夠認(rèn)真仔細(xì)分析問(wèn)題原因，杜絕盲目復(fù)位和待隱患運(yùn)行，防患小故障演變成重大安全和設(shè)備事故；對(duì)于定檢工作，要嚴(yán)格遵循定檢手冊(cè)和規(guī)程要求，杜絕拖延、遺漏定檢項(xiàng)目，否則將對(duì)機(jī)組的壽命和安全造成嚴(yán)重的影響。

應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)備出廠單位的要求與規(guī)定，定期進(jìn)行維護(hù)和檢修，通過(guò)定期維護(hù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)各部件是否存在問(wèn)題，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決和處理，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障率，提高設(shè)備的使用安全性。

2.提升機(jī)組發(fā)電性能

結(jié)合風(fēng)電機(jī)組相關(guān)參數(shù)及理論，對(duì)機(jī)組能效提升進(jìn)行分析；根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械功率與風(fēng)速有如下關(guān)系：

ν為上風(fēng)向風(fēng)速，單位為m/s；

Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；

A為風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉掃掠面積，單位為m3；

A=πR2, R為風(fēng)輪半徑；

通過(guò)上述公式可知，在原風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不變更機(jī)組容量、塔筒高度、葉片長(zhǎng)度（不考慮葉片加長(zhǎng)）情況下，如果要提升機(jī)組發(fā)電性能，就要提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp, 風(fēng)能利用系數(shù)Cp是關(guān)于葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)，即：Cp(λ , β),當(dāng)槳距角和葉尖速比發(fā)生改變，Cp值隨之變化。圖1為某機(jī)型的Cp(λ , β)曲線圖。

圖1：CP-λ曲線

通過(guò)圖1可以看出每條曲線都是單調(diào)的，這樣我們?cè)诠潭ǖ娜~尖速比下，通過(guò)控制變槳角度，可以使該葉尖速比下風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大。

可以通過(guò)以下方式控制變槳角度提升風(fēng)能利用系數(shù)。

2.1校準(zhǔn)葉片機(jī)械0度

葉片的0度位置是否安裝準(zhǔn)確，決定了運(yùn)行時(shí)變槳角度的準(zhǔn)確性，對(duì)機(jī)組的發(fā)電性能起著重要作用，以1.5MW某機(jī)型為例，按照葉片機(jī)械0度偏差2度進(jìn)行仿真計(jì)算，會(huì)造成功率曲線性能出現(xiàn)偏差，年發(fā)電量偏差1.8%，如圖2。

圖2：葉片機(jī)械0度偏差對(duì)功率曲線的影響

為保證葉片零度角準(zhǔn)確性，應(yīng)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：1、對(duì)新風(fēng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中加強(qiáng)質(zhì)量管理，保證安裝時(shí)零刻度的準(zhǔn)確性；2、對(duì)已運(yùn)行風(fēng)場(chǎng)，需落實(shí)齒輪間隙對(duì)葉片0刻度偏離影響及驗(yàn)證控制系統(tǒng)是否會(huì)造成跑槳的可能性，定期對(duì)葉片機(jī)械0度進(jìn)行校準(zhǔn)工作。

2.2葉片及風(fēng)機(jī)附加件的研究，提高風(fēng)機(jī)性能

對(duì)于某些機(jī)組葉片存在失速情況或升力不夠的情況，可以通過(guò)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)附加件改善機(jī)組失速和升力不足的情況。例如以下設(shè)計(jì)：

2.2.1輪轂罩設(shè)計(jì)

合理設(shè)計(jì)輪轂罩能夠有效的提升葉片的升力，提高風(fēng)能利用率，輪轂罩的設(shè)計(jì)要充分結(jié)合流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多學(xué)科，要進(jìn)行充分的建模仿真和測(cè)試驗(yàn)證。可以參考某品牌風(fēng)機(jī)的輪轂罩設(shè)計(jì)，如下圖，該設(shè)計(jì)能有效提升葉片的升阻比，在風(fēng)洞試驗(yàn)中，約可以提高0.8%的發(fā)電性能。

2.2.2葉片渦流發(fā)生器

目前行業(yè)內(nèi)，渦流發(fā)生器被應(yīng)用在老舊機(jī)組性能提升上，通過(guò)計(jì)算和研究相關(guān)數(shù)據(jù)表明，渦流發(fā)生器在風(fēng)電葉片邊界層的分離控制有良好的效果，可以有效改善葉片翼型的氣動(dòng)性能；葉片渦流發(fā)生器設(shè)計(jì)需要結(jié)合具體的葉片翼型和氣動(dòng)性能參數(shù)，通常安裝在風(fēng)電葉片葉根到葉中區(qū)域的吸力面，其加工工藝及安裝位置都會(huì)對(duì)應(yīng)用效果產(chǎn)生影響，在加工和安裝過(guò)程需要嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)和工藝要求進(jìn)行。圖5為某風(fēng)電機(jī)組葉片渦流發(fā)生器實(shí)際應(yīng)用。

2.3優(yōu)化偏航系統(tǒng)

風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)兩個(gè)主要功能：一是對(duì)風(fēng)功能，追蹤風(fēng)向變化；二是解纜功能，防止發(fā)生電纜纏繞。偏航對(duì)風(fēng)的邏輯設(shè)計(jì)和對(duì)風(fēng)的準(zhǔn)確性會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

傳統(tǒng)的偏航控制邏輯無(wú)法適用全工況，在湍流強(qiáng)度大、風(fēng)向變化較大的工況下，易造成風(fēng)能利用效率的降低，應(yīng)針對(duì)不同工況進(jìn)行實(shí)際的偏航邏輯設(shè)計(jì)。同時(shí)可采用偏航角度誤差靜態(tài)校正和動(dòng)態(tài)校正的方法提高風(fēng)電機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)的準(zhǔn)確性。

2.4 優(yōu)化轉(zhuǎn)矩控制策略

2.4.1 自動(dòng)尋優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制

根據(jù) Cp(λ，β) 函數(shù)， 在每個(gè)風(fēng)速的最優(yōu)尖速比λopt下，如果獲取會(huì)有一個(gè)最佳的變槳角度對(duì)應(yīng)的Cpmax值，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組變速運(yùn)行，最大區(qū)間范圍追求最佳圖片曲線，一般通過(guò)改變發(fā)電機(jī)矩控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)合推導(dǎo)轉(zhuǎn)換公式：

==

式中：

為最優(yōu)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；

為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；

為最優(yōu)模態(tài)增益。

在額定風(fēng)速以下，為使機(jī)組運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速上，可根據(jù)空氣密度的變化來(lái)自動(dòng)調(diào)控最優(yōu)模態(tài)值Kopt，使得風(fēng)機(jī)可以在更廣泛的風(fēng)速范圍內(nèi)跟蹤最佳葉尖速比。

最優(yōu)控制還可以使得風(fēng)機(jī)各個(gè)風(fēng)速段的發(fā)電機(jī)扭矩變化平滑，不出現(xiàn)跳變，減小機(jī)組的振動(dòng)。

2.4.2恒功率控制

在額定風(fēng)速以上，采用恒功率控制方式代替原有的恒轉(zhuǎn)速控制方式，通過(guò)增加傳動(dòng)鏈阻尼濾波器來(lái)減小發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的偏差，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化平緩，提高了風(fēng)機(jī)在大風(fēng)速下輸出功率的穩(wěn)定性和綜合利用率。下圖為某1.5MW機(jī)型風(fēng)電機(jī)組采用恒功率控制的運(yùn)行曲線。

恒功率實(shí)際控制曲線

2.5機(jī)組實(shí)際運(yùn)行模型的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)算法

目前廠家提供的葉片模型和數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證，如果模型和數(shù)據(jù)包不準(zhǔn)確，對(duì)于后期仿真載荷、氣動(dòng)性能、控制性能產(chǎn)生影響，控制上無(wú)法保證使用的Cp、Lambda值得準(zhǔn)確性，從而影響最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的控制，影響機(jī)組的發(fā)電性能。

對(duì)于運(yùn)行過(guò)一段時(shí)間的風(fēng)機(jī)，其葉片的翼型會(huì)發(fā)生形變，造成氣動(dòng)性能的改變，通過(guò)仿真研究，如下面兩圖；能夠看出運(yùn)行過(guò)一段時(shí)間后的葉片Cp、Lambda、槳距角都發(fā)生了變化。

新舊葉片Cp值變化曲線

新舊葉片性能的變化

針對(duì)模型準(zhǔn)確性的問(wèn)題，建議通過(guò)自適應(yīng)的控制算法，該控制策略能忽略模型不準(zhǔn)確及葉片老化帶來(lái)的影響，能夠在實(shí)際運(yùn)行運(yùn)行過(guò)程中得到最優(yōu)的性能參數(shù)，使機(jī)組能夠以最優(yōu)性能運(yùn)行。

2.6超額定功率和大風(fēng)拓展切出控制

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以在額定風(fēng)速以后的工況下及超大風(fēng)工況的利用上進(jìn)行開發(fā)，其中包括超額定功率和超大風(fēng)切出控制；超額定功率是指機(jī)組在風(fēng)速大于滿發(fā)風(fēng)速時(shí)能夠以超額定功率的狀態(tài)進(jìn)行發(fā)電，能夠提升單機(jī)單位小時(shí)的發(fā)電量，帶來(lái)發(fā)電量的提升，但需要考慮發(fā)電機(jī)及其他設(shè)備的性能參數(shù)和壽命；超大風(fēng)切出控制是指機(jī)組在風(fēng)速大于切出風(fēng)速一定風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，機(jī)組能夠在限功率的情況下繼續(xù)發(fā)電，擴(kuò)寬風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)速區(qū)間的利用率，從而提升機(jī)組的發(fā)電量，但需要對(duì)機(jī)組的疲勞載荷和部件承受能力進(jìn)行驗(yàn)證。下圖是以1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例的大風(fēng)拓展切出原理圖。

圖9：大風(fēng)拓展切出原理圖

2.7風(fēng)場(chǎng)的最優(yōu)發(fā)電量的控制研究

前面介紹的策略和方法多是提升單機(jī)發(fā)電性能，而本控制策略是通過(guò)對(duì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的建模及來(lái)流風(fēng)向和風(fēng)速的測(cè)量，通過(guò)調(diào)整每臺(tái)機(jī)組的控制策略，如果有必要，可以限定某臺(tái)或某幾臺(tái)的機(jī)組的發(fā)電量來(lái)達(dá)到整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的發(fā)電量最大化，這種控制策略是考慮整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)利益的最優(yōu)化。

3.結(jié)束語(yǔ)

提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電性能的策略和方法，不僅限于上述方法。提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電性能及經(jīng)濟(jì)效益是目前投資方和制造廠商越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題，上述內(nèi)容比較詳細(xì)的描述了大型發(fā)電機(jī)組增能提效的多種方法和方案，在實(shí)際應(yīng)用中，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。