风力发电机组发电性能分析与优化

风力发电机组发电性能分析与优化

白泽伟, ,张红伟

特变电工新疆新能源股份有限公司

摘要：风力发电机组往往在非常困难的条件下运行，为了使风能成为可靠的能源来源，有效和准确的风力监测和预测模型十分重要。因此，有必要查明异常数据，以便更准确地分析风力发电机组的运行状况。同时，异常数据的识别和处理是获得风力发电曲线、评估风力发电机组发电性能和预测风力的重要步骤。基于此，文章阐述了风速功率异常数据的分布特征，总结了异常数据识别、风力功率曲线建模和机组运行状态识别的常用方法，分析了各种方法存在的问题和不足，并提出了深入研究的未来发展方向。

关键词：风电机组；发电能力评估；性能排查；优化措施

前言

空气污染严重威胁着人们的健康，开发和利用可再生能源促进可持续能源发展已成为世界各国能源发展战略的重要举措。风能是一种清洁能源，存在于大自然中，是一种不可耗竭的能源。因此，风能的优先发展是中国开发新能源的必要性。近年来，对大容量风力发电的技术需求有所增加，海上风力发电已进入加剧开发阶段。由于风力发电机组的结构将会逐步扩大，未来系统将变得更加复杂，因此有必要对风力发电机组的结构和性能进行研究。

一、风力发电机组的种类

1.独立供电系统通常位于电网无法扩展的偏远山区。其应用原则是用小型发电机储存电池电量，然后由转换器转换为交流电源，为终端电器供电；或由中型风力发电机、柴油发电机或光电发电机组成的混合动力系统。它们是独立的电力系统，可以解决偏远地区的电力问题。

2.并网供电系统。随着现代风力发电技术的改进，风力发电正在大规模发展，并分为陆上和海上风力发电，这两种发电都是由电网供电的。连接电网的风力发电机目前是最具成本效益的供电方式，主要是大规模利用风力资源发电。并网供电系统的风电机组可以根据自然环境安装发电机组，形成强大的风力发电场。

二、风力发电机发电能力评估

每个风力发电机组的风力发电时数最大化是项目发电绩效的一个重要指标，即年发电量与风力发电机组能力的比率。对于单个风力发电机组，这是一个风力发电机组的年发电量与风力发电机组容量的比率。因此，我们可以从分析单个风力发电的等效时数开始。计算单组发电，转换单组发电加电能损耗，在等效利用小时数中，对风场中相同类型机组的等效利用小时数进行排序，将实际风速与等效利用小时数进行比较，并筛选相同风速下的等效利用小时数低于平均值的机组。风力发电功率曲线是风力发电最直接的表现形式。因此，功率曲线可以有效地分析风电机组的健康水平及其发电能力。由于机组的尾流、空气密度等环境因素，风力发电机的实际工作功率曲线可能与设计功率曲线不完全匹配。通过结合风力发电机组的实际功率曲线与标准功率曲线之间的差异，可以直观地反映风力发电机组的发电能力。我们可以采用风速和单个风力发电机组的有功功率，结合机组的实际功率曲线计算机组的年理论发电量；采用10分钟平均风速和合同保证的功率曲线，计算一组实际风速的年保证发电量，并绘制曲线对比图。风力发电机组实际运行功率曲线计算的发电量与合同保证功率曲线计算的发电量之比是功率曲线的一致性。通过组织和分析组功率曲线的一致性或K值，可以过滤功率曲线一致性异常的机组。

三、机组发电性能排查

1.机组软件分析排查

风力发电场中控的SCADA系统是风力发电场安全稳定运行的监控中心，实时记录风力发电场各方面的运行数据。随着技术的进步，SCADA记录的数据越来越完整，在业务分析中发挥着越来越重要的作用。充分利用风力发电场SCADA平台，可以直观地检测风力发电场的出力异常情况。首先，在一个风场中，通过比较相同工况下同一类型机组功率曲线的散点，可以发现相同功率曲线模型下不同风机功率曲线的散点是不同的。对于特殊分析，可以选择曲线偏差较大的地方；其次，风机运行时产生的功率与转速和转矩直接相关，遵循P=Tn/9550的关系；式中，р–功率，kW；n–转速，r/min；t-扭矩，nm；9550 -计算系数。因此，通过分析风力发电机组在运行过程中的速度和扭矩变化，可以发现异常机组。

2.机组硬件分析排查

风传感器安装在风机机舱顶部，跟踪风速和风向的变化，通过偏航系统调节机舱角度，使风机处于最佳迎风角度。当风速达到切入风速时，叶片驱动机构带动叶片轴承旋转，使叶片保持最佳迎风状态，从而将风能转化为电能。所以，对于发电效率异常的机组，首先要检查风向标的对北是否存在偏差。当风速高于10米/秒时，将风向标切换到90、180、270和360度，比较机组SCADA数据与机舱位置是否一致，调整指向不佳的风传感器。其次，检查叶片机械零刻度是否准确调零。当风电机组SCADA显示叶片位置为零时，检查三支叶片的零位标记是否与机械零位标记有偏差。如果有偏差，也会影响风电机组的功率输出。

四、机组发电性能提升

1.额定功率提升优化

评估风力发电机组的气候条件和负荷，以确定是否可以提高风力发电机组的额定功率。功率的增加可能会大大增加发电量，其比例因类型而异。但是，风力发电机组额定功率的升级应在发电机组整个寿命期间的安全可靠的基础上进行，并符合IEC-WT-01和GB/T 18451.1的相关要求。

2.优化风力捕获能力

风测量设备可通过自适应控制持续自动校准偏差的来流风方向，并自动更新每台风力发电机组的传动功能。利用风力方向的自然变化，根据发电机组所感知的最佳偏差位置，调整风力偏差值，提高风力测量精度。根据IEC标准，大部分风力发电机的切出风速定为20 ~ 25米/秒，如果风力发电机组的切出风速根据风力发电机组的工作条件和结构特点适当提高，就有可能捕获更多的风力能量，大大增加风力发电可利用率。但是，必须严格计算风电机组的疲劳和极限负荷，并通过跟踪叶片夹角的变化来控制风电机组的负载能力平衡，以确保风电机组的安全运行。

3.向智能化控制转变

5G代表的智能技术、互联网、数字化和信息化是制造业未来发展的方向。在这种背景下，中国的风力发电产业发展正在逐步走向智能控制，无论是风力发电机组设备的控制和运行管理，还是风力发电机组的技术开发、设计、制造和生产，都必须与智能结合，需要积极引进大型数据分析、5G和人工智能等技术。采用智能控制管理可以提高风力发电的运行质量和控制精度，提高风力发电自动化水平。利用智能技术带动风力技术创新，提高风力发电运行效率，降低运行成本。同时，需要综合管理发电资源和电网负荷，实现风力发电和其他发电技术的效益互补，全面提高风力发电技术水平。

4.运行转矩优化

发电机和变频器之间会存在相应的逻辑转矩，是实现发电系统转子电能转换的拓扑电路，主控增加相应的操作控制和逻辑。根据风的情况，电路拓扑会进行智能学习，以使风电机组始终处于最佳状态以供发电。根据变频器的主控制字，修改相应的控制算法和工作策略，提高低速风力发电效率，降低整体机组机械传动链中的传动损耗和发电机与变换器之间的电磁损耗。

结束语

综上所述，对风力机组发电能力进行了系统分析，以期提高风力发电机组的科学优化，提高其发电能力。同时，优化风力发电机组的性能需要综合对安全控制进行严格分析，并对优化风力发电机组能力的安全性、效率和效益进行全面分析。

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