風電機組發(fā)電性能優(yōu)化案例分析

摘要：根據(jù)國家風電技術與檢測研究中心對華電街基風電場66臺某品牌風電機組功率曲線的檢測報告，決定對機組整體精確調整，通過優(yōu)化機組控制策略、葉片零位校正等措施，以提高機組的發(fā)電量，對機組的安全穩(wěn)定運行也起到了促進作用。關鍵詞：風電機組發(fā)電性能優(yōu)化1、概況華電某風電場共安裝某品牌1500-82型風電機組66臺，裝機容量9.9萬千瓦，分兩期建設，單期容量4.95萬千瓦，于2009年5月開始籌建。一期機組于2011年1月28日投入運行，二期機組于2012年12月27日投入運行。2017年華電某風電場66臺某品牌機組開展深度治理和發(fā)電量提升改造，在不改變機組硬件的前提下，優(yōu)化風電機組控制策略提高機組發(fā)電效率，并對風場66臺機組進行系統(tǒng)研究分析、及時發(fā)現(xiàn)和處理機組的潛在隱患，確保機組高可靠運行，提高機組的可利用率。2、問題及原因分析2.1現(xiàn)有風電機組控制策略分析為了能使機組捕獲更多的風能，主控系統(tǒng)必須將機組的運行控制在最佳葉尖速比附近，具體來說就是根據(jù)不同來流風速給定最佳的變槳角度和發(fā)電機功率值。如圖1所示，應控制機組按照點A-B-C-F-G-H-L構成的曲線運行。（1）低風速（并網(wǎng)風速附近）情況下，最小允許發(fā)電機轉速S1，控制機組在如圖1所示的A-B段運行，這樣就能使得實際葉尖速比靠近設計最佳值；（2）中風速（4m/s-10m/s）情況下，發(fā)電機轉速S1-S4，控制機組在如圖1所示的B-G段運行，使用最佳轉矩給定維持葉尖速比在最佳值附近，追蹤最佳風能利用系數(shù)Cp；（3）額定風速（額定轉速風速）情況下，發(fā)電機轉速S4，控制機組在如圖1所示的G-H段運行，保持風輪轉速在額定設計值，通過變槳策略來調整風能捕獲能力。（4）高風速(機組滿發(fā))情況下，發(fā)電機轉速S4-S5，控制機組在如圖1所示的H-L段運行，維持在發(fā)電機恒功率輸出，通過變槳策略來降低載荷和機械沖擊。圖1：穩(wěn)態(tài)運行轉速-轉矩圖為保證不同風速下，風力發(fā)電機能夠捕獲更大的風能，必須采用更好的控制策略來對機組進行控制。目前市場常用控制策略：一是公式計算方式，計算機組固定控制參數(shù)，以及在其基礎上以參數(shù)分段調整為特點進行的機組控制；二是建立風速、功率、轉速表，通過查詢不同風速、轉速功率對應值，實現(xiàn)對機組控制;三是建立數(shù)學模型，對風電機組運行過程中的關鍵參數(shù)進行計算并予以控制。我們引入第三種控制策略，并在其基礎上對機組模型進行精細化計算。2.2現(xiàn)有控制策略存在的問題（1）風特性研究不足在運機型以準靜態(tài)定常流動作為主要風模型設計機組控制算法。但是風能從本質上來說是空氣的紊流流動，其風向、風速、渦旋度、流動形態(tài)等總是在不斷地隨機快速變化，所以其具有的能量也是時刻變化的，需要對其特性進行深入研究。（2）風能轉化效率有局限機組原有控制策略，最大風能捕獲的實現(xiàn)程度較低，風能轉化效率不高。需深入分析和研究適應風的動態(tài)、三維、渦旋、紊流流動情況下的轉換與利用技術。（3）控制策略參數(shù)調整單一本風場安裝運行的機組，主控系統(tǒng)控制策略的參數(shù)都是按照標準條件計算得出的，計算中使用的都是標準的空氣密度、環(huán)境溫度、海拔高度等，忽略了具體風電場的工況，使得最終機組運行的功率曲線偏離標準曲線，發(fā)電量無法達到預計水平。需要根據(jù)機組的實際地理位置，周圍環(huán)境因數(shù)等各項參數(shù)，對機組控制策略進行動態(tài)調整，得到最優(yōu)的功率輸出和合理的機組載荷。（4）控制策略采用靜態(tài)組合方式機組廠家通常采用上述控制策略中的一種作為其主要控制策略，或者采用其靜態(tài)組合的方式。這種靜態(tài)的控制策略難以對風的變化快速跟蹤并正確地響應。為了實現(xiàn)風能利用效率的最大化，就需要對風的紊流特性、風與風輪葉片的動態(tài)作用與響應特性、機組傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應特性、功率轉換與變頻系統(tǒng)的動態(tài)響應特性、電網(wǎng)動態(tài)特性以及上述各特性間的耦合（解耦）方法進行深入研究，并對現(xiàn)有的風電控制策略進行優(yōu)化，實現(xiàn)在保證風電機安全性的前提下，輸出功率最大化。3、方案設計3.1機組狀態(tài)診斷與控制優(yōu)化風電機組定型后，后期無法改變其整體性能。在機組運行后，會出現(xiàn)不同程度的缺陷，或因維護不到位，導致性能下降。本項目主要從3個方面入手：一是機組現(xiàn)場運行狀態(tài)診斷、分析與治理。檢查并消除機組隱患，使其從亞健康運行狀態(tài)恢復到健康狀態(tài)；分析異常數(shù)據(jù)，防止故障發(fā)生。二是采用精細化模型控制策略；變靜態(tài)單一參數(shù)控制為動態(tài)多參數(shù)協(xié)調控制，在機組安全平穩(wěn)運行的基礎上實現(xiàn)發(fā)電量最大化。三是現(xiàn)場調試優(yōu)化。3.2優(yōu)化原則（1）不改動機組機械大部件（如葉片、發(fā)電機等），不添加電氣元器件，只對機組的控制策略進行優(yōu)化。（2）安全鏈不改動，機組切入、切出和安全控制策略不改動，僅對機組發(fā)電過程控制程序進行優(yōu)化，確保機組的安全穩(wěn)定性。（3）在控制策略優(yōu)化前，對機組全面體檢，精細調整，改善機組運行狀況，發(fā)現(xiàn)和消除機組隱患。3.3精細化模型控制策略（1）不同環(huán)境條件下來流風紊流特性研究從風電機組系統(tǒng)的角度來看，風速是機組的主要外部信號，并決定了機組的運行狀態(tài)。風速是時刻變化的，高度依賴于給定的地點和大氣情況。這些特性使得風速的模型很難建立。精細化模型控制策略風速的動態(tài)模型是結合具體地點的特殊氣象條件建立起來的。這個風速模型是一個動態(tài)隨機的過程，由2個部分疊加而成，即V（t）=Vs（t）+Vt（t）式中Vs（t）是低頻部分（代表長期、低頻變化）；Vt（t）是湍流部分（對應快速、高頻變化）。低頻部分對應的是非常緩慢的風速變化，從能量的觀點來看，低頻部分是某一地點風速的主要參考，低頻部分的模型用威布爾分布來表示。（2）風電葉片氣動響應特性與氣動效率優(yōu)化技術研究研究葉片安裝角隨著展向的變化規(guī)律；設計工況下葉片不同截面來流攻角變化規(guī)律及繞流特性；紊流來流情況下葉片不同截面攻角及繞流特性；風速風向快速變化時葉片攻角及繞流特性；草原風與季風情況下機組葉片變槳控制策略。精細化模型中修改了傳統(tǒng)定點風速模型，固定點頻譜修改為掠過風輪的風速頻譜同時考慮不同截面的繞流，采用旋轉采樣濾波，充分將風轉矩變化、固定點風速湍流影響考慮在模型中；精細化模型同時也包括了當風速或槳距角突變時，產(chǎn)生的感應滯后子系統(tǒng)，有效減小風力波動對機組的整體控制難度，使得功率控制更加精準，以達到提升發(fā)電量的目的。（3）葉輪、傳動鏈、發(fā)電機與變頻等系統(tǒng)動態(tài)特性及其耦合特性研究研究變槳過程中,大葉輪的轉動慣量與時間常數(shù)變化特性，大速比柔性傳動鏈功率與載荷的響應與傳遞特性；雙饋機組發(fā)電機與變頻系統(tǒng)的功率轉換動態(tài)響應特性；機組各系統(tǒng)耦合與解耦特性研究。精細化模型控制算法將機組的整體動態(tài)特性,依賴于風輪和發(fā)電機兩條機械的特性曲線的相對位置，控制負荷特征曲線的斜率調整機組的響應時間；進一步精確控制發(fā)電機轉速,通過變速調節(jié)直接控制能量捕獲，實現(xiàn)風電機組與電網(wǎng)之間解耦；精準確定風電機組柔性傳動鏈的彈性系統(tǒng)的剛性系數(shù)和阻尼系數(shù)得到三階線性模型；綜合上述機組幾部分的模型（空氣動力部分、傳動鏈部分、發(fā)電機變頻器部分）來建立不同結構的線性化模型，得出線性化特征值，調整參數(shù)使得機組工作點附近的動態(tài)特征趨于線性化。（4）機組發(fā)電量最優(yōu)自動跟蹤建模與算法研究以機組發(fā)電量最優(yōu)為目標，精細化模型控制采用滑模控制，以得到最優(yōu)的能量捕獲，在轉矩脈沖（控制輸入）和優(yōu)化跟蹤之間進行平衡，實現(xiàn)一個多輸入-多輸出的優(yōu)化控制。（5）基于精細化模型控制策略的功率控制與變槳控制方案設計以1.5MW變速恒頻雙饋風電機組為研究對象，以研究空氣動力學基礎理論和風紊流模型為起點,分析風電機組不同風況下的工作特性,在切入風速與額定風速之間,將模糊滑模變結構控制技術應用于機組功率控制當中；采用機組精細化模型建立機組變槳控制函數(shù)，并結合經(jīng)典PID控制策略，動態(tài)變槳，實現(xiàn)機組最大風能捕獲。對于變槳控制，可以得出根據(jù)機組精細化模型，建立槳距角函數(shù)：通過計算不同功率P，風速下的最優(yōu)，并結合經(jīng)典PID控制算法，動態(tài)調節(jié)，使機組能夠捕獲最大功率。機組變槳控制結構示意圖如下圖所示變槳控制結構示意圖綜上所述，可以看出：基于精細化模型控制算法中采用的模糊滑模變結構功率控制方法和機組模型變槳控制方法可以有效地控制機組的轉速跟隨風速的變化，保持不同風速下最佳葉尖速比和最大功率轉化系數(shù)，使機組的輸出功率在最優(yōu)的區(qū)域，實現(xiàn)最大風能捕獲的同時降低機組機械載荷。4、實施過程為保證新研發(fā)帶有精確模型控制算法的控制程序能在技改機組安全穩(wěn)定的運行，調試內容在機組體檢的過程中已提前做了準備，比如進行風電機組的離網(wǎng)調試：接地電阻的測試、絕緣測試以及常規(guī)機械檢查；測量終端調試：用于檢測機組運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調試，如電量采集模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、轉速傳感器等檢查其測量值是否在正常范圍內。當更新到新程序后需要對機組安全鏈，以及各個測量點進行確認，以保證程序的穩(wěn)定性，確保機組的安全性。機組調試優(yōu)化的主要內容如下。4.1安全性調試安全鏈是機組獨立于控制系統(tǒng)之外的一套緊急停機控制回路，屬于風電機組的最后一道防線，包括：安全鏈保險、急停按鈕、三個葉片故障、輪轂超速、機組振動、發(fā)電機超速、剎車存儲繼電器、看門狗、超出工作位置、輪轂驅動純硬件回路。確保機組安全的首要調試任務是安全鏈調試。為了確保機組更加安全穩(wěn)定的運行，應測試備用電池的性能。以保證失電時機組能夠安全順槳停機。檢查各個測量點的正確性，避免新版程序誤報故障。4.2葉片零位校正葉片的零位校正不僅是對葉片制造過程與設計產(chǎn)生誤差的校正，更是影響發(fā)電量提升的重要因數(shù)，因為精確模型控制策略是建立在機組葉片設計參數(shù)基礎上的數(shù)學模型，葉片零位直接影響著發(fā)電量提升的效果，同時如果未校準零位會加大機組運行中的振動。4.3機組參數(shù)精細化機組參數(shù)的精細化包括：每支葉片的重量、重心位置，發(fā)電機的轉動慣量、開口電壓、定轉子額定電壓及電流等。這些參數(shù)將直接參與到模型控制策略的轉矩控制中。4.4主控軟件更新刷新主控程序，更新為基于精細化模型控制策略的功率控制系統(tǒng)。并進行相應的軟件系統(tǒng)調試。5、改造效果5.1第一階段自2017年7月23日到2017年9月23日2個月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，技改機組平均發(fā)電量提升6.08%，技改后機組運行穩(wěn)定，未見明顯缺陷及安全隱患。5.2第二階段在全面開展風電場程序更新前，繼續(xù)采用第一階段的對比方案截止到2017年10月23日技改機組發(fā)電量提升5.61%。5.3第三階段為了利用不同對比方案進行發(fā)電量提升驗證，于2018年1月5日，街基現(xiàn)場HR3、HR25、HR53還原為老程序作為標桿機組，截止至2018年2月6日發(fā)電量提升4.90%。5.4技改機組功率散點圖對比以下散點對比圖為技改機組與標桿機組2017年7月23日到2017年9月8日與2016年7月23日到2016年9月8日相同月份的散點對比圖。通過觀察標桿機組的散點圖兩年的變化不大，基本一致；而技改機組的散點圖2017年的圖形明顯強于2016年的圖形，效果明顯。下圖中的7#、15#、61#三個機組為風場選定的技改機組所對比的標桿機組，通過圖形不難看出三臺機組2017年的散點圖形與2016年的散點圖形基本完全重合變化不大。下圖中的9#、12#、10#、14#、60#、62#六臺機組為發(fā)電量提升的機組散點對比圖，通過圖形不難看出六臺機組2017年的散點圖形與2016年的散點圖形差異明顯，2017年技改后的散點圖在相同風速下明顯高于2016年未技改時散點圖，達到了技改的目的，技改效果明顯。6、總結和建議（1）本項目所研究的精細化模型控制策略克服了傳統(tǒng)查表控制算法的缺點，變靜態(tài)單一參數(shù)控制為動態(tài)多參數(shù)協(xié)調控制，更大范圍內跟蹤最佳Cp曲線，尋找機組運