高崇倫，吳進(jìn)釧，張小雷，許霞

（1. 安徽龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，安徽 滁州，239200；2. 合肥電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院 安徽 合肥，230002）

提高低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量措施研究

高崇倫1，吳進(jìn)釧1，張小雷1，許霞2

（1. 安徽龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，安徽 滁州，239200；2. 合肥電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院 安徽 合肥，230002）

近年來(lái)，風(fēng)資源豐富的區(qū)域受到資源和規(guī)模等因素的限制，人們悄然把目光轉(zhuǎn)向更為廣闊的低風(fēng)速區(qū)域，而風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量直接影響風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。安徽來(lái)安低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)作為全國(guó)首個(gè)低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)，至今已運(yùn)行兩年多。本文針對(duì)影響低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量的因素，制定風(fēng)電機(jī)組各種優(yōu)化方案，對(duì)比分析來(lái)安風(fēng)電場(chǎng)各項(xiàng)提升發(fā)電量測(cè)試方案的初步結(jié)論，提出進(jìn)一步提升發(fā)電量的改進(jìn)措施，為今后風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行提供參考。

提高； 低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)；發(fā)電量

0 引言

隨著全球化石能源（煤、石油、天然氣等）的逐漸短缺以及日益嚴(yán)峻的氣候變化形勢(shì)，風(fēng)能作為清潔、高效的可再生能源受到世界各國(guó)的重視和開(kāi)發(fā)利用[1]。目前，我國(guó)風(fēng)能開(kāi)發(fā)主要集中在風(fēng)能資源豐富的高風(fēng)速區(qū)域，此類區(qū)域風(fēng)能資源雖豐富，但由于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),無(wú)法消納足夠的風(fēng)電資源，風(fēng)電場(chǎng)常出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象，需通過(guò)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大容量的風(fēng)電送出。風(fēng)能資源豐富區(qū)和較豐富區(qū)分別占全國(guó)面積8%和18%，主要集中在三北地區(qū)(東北、華北、西北)、東南沿海等地，可開(kāi)發(fā)地域面積較小[2]。因此,人們逐漸將視野移向幅遠(yuǎn)遼闊的低風(fēng)速區(qū)域。

目前，所謂“低風(fēng)速地區(qū)”在國(guó)內(nèi)一般被認(rèn)為是國(guó)家氣象局發(fā)布的我國(guó)風(fēng)能三級(jí)區(qū)劃指標(biāo)體系中第三級(jí)區(qū)域，即為風(fēng)能可利用區(qū)，全國(guó)范圍內(nèi)風(fēng)能可利用區(qū)面積約占全國(guó)面積的50%[2]。而大規(guī)模開(kāi)發(fā)低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電經(jīng)驗(yàn)不足，經(jīng)濟(jì)效益前景不明，如何提高低風(fēng)速地區(qū)發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益成為當(dāng)今開(kāi)發(fā)低風(fēng)速地區(qū)急需解決的問(wèn)題。

來(lái)安風(fēng)電場(chǎng)作為全國(guó)首座大型低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)，擁有兩年多的運(yùn)行及優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，本文以來(lái)安風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行優(yōu)化措施為例，尋找更適合低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化措施，提高低風(fēng)速地區(qū)發(fā)電量，為低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益提供強(qiáng)有力的保障，為今后大面積開(kāi)發(fā)低風(fēng)速地區(qū)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 風(fēng)電場(chǎng)基本情況

來(lái)安縣地處皖東、江淮之間，為江淮分水嶺，風(fēng)能資源較豐富[3]。來(lái)安風(fēng)電場(chǎng)是國(guó)內(nèi)首個(gè)低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)，也是安徽省首個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)電場(chǎng)80m風(fēng)功率密度等級(jí)為1 級(jí)，風(fēng)電場(chǎng)年可利用風(fēng)速小時(shí)數(shù)較多，70m高度在3m/s－25m/s年小時(shí)數(shù)為7600h，在4m/s－25m/s年小時(shí)數(shù)為6600h。來(lái)安風(fēng)電場(chǎng)位于來(lái)安縣北部低山丘陵地區(qū)，分五期建設(shè)，總裝機(jī)容量為247.5MW，共有165臺(tái)單機(jī)1.5MW風(fēng)電機(jī)組，其中132臺(tái)A87/1500機(jī)組 和33臺(tái)B86/1500機(jī) 組。2011年1月6日,風(fēng)電場(chǎng)首臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。由于安徽省風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)模小，截至2012年年底，安徽省統(tǒng)調(diào)機(jī)組約25000MW，其中風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模為300MW，風(fēng)電裝機(jī)占比僅為1.2%。而且，風(fēng)電場(chǎng)附近有600MW瑯琊山抽水蓄能電站，電網(wǎng)具有很強(qiáng)的調(diào)峰能力。自來(lái)安風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)以來(lái)，所發(fā)電力全額上網(wǎng)，就近消納，沒(méi)有發(fā)生過(guò)限出力情況[4]。

2 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化

從2012年開(kāi)始，風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始最佳槳距角、偏航控制策略優(yōu)化、發(fā)電機(jī)“雙模式運(yùn)行”改造、更換更大葉片等發(fā)電量提升措施項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，并于6月開(kāi)始陸續(xù)實(shí)施各發(fā)電提升措施的實(shí)驗(yàn)。各主要優(yōu)化措施的原理及初步效果說(shuō)明如下。

2.1 最佳槳距角設(shè)定

由于葉片的制造、安裝與設(shè)計(jì)存在誤差，在不同環(huán)境、不同風(fēng)速下，風(fēng)的湍流度、風(fēng)切變都存在差異。這樣將會(huì)造成入流角度與設(shè)計(jì)入流角度發(fā)生偏差，進(jìn)而影響風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲率。最佳槳距角是通過(guò)在不同的風(fēng)速下設(shè)置不同的槳葉角度，通過(guò)對(duì)比分析后總結(jié)出一個(gè)適合實(shí)驗(yàn)風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的最佳槳葉角度設(shè)定。

某1號(hào)風(fēng)電機(jī)組最佳槳距角優(yōu)化前后功率曲線對(duì)比如圖1所示。

依據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，單機(jī)發(fā)電量提升大約在1.2%左右。

2.2 偏航控制策略優(yōu)化

偏航是控制風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪正對(duì)來(lái)風(fēng)方向的一種措施，偏航控制的優(yōu)劣將會(huì)對(duì)風(fēng)輪有效的掃風(fēng)面積產(chǎn)生較大影響。風(fēng)輪有效的掃風(fēng)面積是正對(duì)來(lái)風(fēng)方向的面積，當(dāng)風(fēng)輪軸線與來(lái)風(fēng)方向產(chǎn)生夾角后有效掃風(fēng)面積為風(fēng)輪掃風(fēng)面積的余弦值。另外，由于偏航的動(dòng)作，風(fēng)電機(jī)組在原方向的慣性也將受到一部分的損失。偏航控制策略是當(dāng)來(lái)風(fēng)方向與風(fēng)輪軸向夾角超過(guò)一定角度時(shí)才發(fā)生偏航動(dòng)作，這個(gè)角度稱為容差角。在實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)向變化比較頻繁，因而容差角的大小與偏航的頻率度之間就存在了矛盾。偏航策略的優(yōu)化就是要找到一個(gè)容差角、風(fēng)向夾角均值，從而增加風(fēng)能的捕獲能力。

某2號(hào)風(fēng)電機(jī)組偏航控制策略優(yōu)化前后功率曲線對(duì)比如圖2所示。

依據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，單機(jī)發(fā)電量提升大約在1.8%左右。為了使提升效果更加明顯，下一步計(jì)劃可以繼續(xù)優(yōu)化容差角。

圖1 某1號(hào)風(fēng)電機(jī)組最佳槳距角優(yōu)化前后功率曲線對(duì)比

圖2 某2號(hào)風(fēng)電機(jī)組偏航控制策略優(yōu)化前后功率曲線對(duì)比

2.3 發(fā)電機(jī)雙模改造

在目前的雙饋發(fā)電機(jī)技術(shù)下，發(fā)電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速為1080r/min，當(dāng)風(fēng)速低到不足以維持這個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組將切出。并且雙饋發(fā)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的效率也很低（低于70%）。通過(guò)改變發(fā)電機(jī)定子的接線方式將雙饋發(fā)電機(jī)改為鼠籠發(fā)電機(jī)，三分之一變頻變?yōu)槿β首冾l。在鼠籠模式下可以降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而減少機(jī)械損耗、提高發(fā)電機(jī)效率，進(jìn)而提高在低風(fēng)速下的發(fā)電量。

某3號(hào)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)雙模改造前后功率曲線對(duì)比如圖3所示。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，單機(jī)發(fā)電量提升大約在0.9%。從目前的數(shù)據(jù)上看，在風(fēng)速為4m/s－5m/s段發(fā)電量低于改造前，主要原因?yàn)樵谶@個(gè)階段發(fā)生發(fā)電機(jī)模式切換。

目前采取繼續(xù)優(yōu)化程序，以使單機(jī)發(fā)電量得到進(jìn)一步的提高。

2.4 降低風(fēng)電機(jī)組自耗電

風(fēng)電機(jī)組上有很多的電機(jī)需要耗電，通過(guò)設(shè)置合理的參數(shù)控制各電機(jī)的開(kāi)啟時(shí)機(jī)，從而減少風(fēng)電機(jī)組自耗電量。目前主要通過(guò)改變發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)扇啟動(dòng)控制，優(yōu)化齒輪箱潤(rùn)滑泵的啟動(dòng)策略來(lái)降低風(fēng)電機(jī)組的自耗電。

目前測(cè)試的兩臺(tái)初步效果單機(jī)發(fā)電量提升大約在0.36%左右和0.96%左右。

2.5 更換更大葉片

加長(zhǎng)葉片，可以增加葉輪掃風(fēng)面積，從而增加風(fēng)能捕獲。為增強(qiáng)低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力，進(jìn)一步提高低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的生產(chǎn)水平，選取某4號(hào)A87/1500風(fēng)電機(jī)組作為試驗(yàn)機(jī)組并更換較長(zhǎng)葉片，更換后的機(jī)組葉輪直徑從87m增加至93m。選取某4、某5兩臺(tái)相鄰切海拔相同的兩臺(tái)機(jī)組作對(duì)比。93m葉輪與87m葉輪機(jī)型理論功率曲線對(duì)比如圖4所示。

某4號(hào)風(fēng)電機(jī)組更換93m葉輪后與某5號(hào)風(fēng)電機(jī)組（型號(hào)A87/1500）功率曲線對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖3 某3號(hào)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)雙模改造前后功率曲線對(duì)比

圖4 93m葉輪與87m葉輪機(jī)型理論功率曲線對(duì)比

圖5 某4號(hào)風(fēng)電機(jī)組更換93m葉輪后與某5號(hào)風(fēng)電機(jī)組功率曲線對(duì)比

從功率曲線可以看出，某4號(hào)風(fēng)電機(jī)組更換93m葉輪后功率曲線明顯優(yōu)于某5號(hào)風(fēng)電機(jī)組，通過(guò)2012年7月22日至2013年3月28日期間的實(shí)際功率曲線對(duì)比，某4號(hào)更換葉輪機(jī)組在風(fēng)速低于5m/s時(shí)， 93m葉輪風(fēng)電機(jī)組與87m葉輪功率曲線相當(dāng)。風(fēng)速在6m/s以上，93m葉輪風(fēng)電機(jī)組功率開(kāi)始明顯上升。在高風(fēng)速段發(fā)電能力較好，并且較早切入到滿發(fā)狀態(tài)，如圖5所示。同時(shí)，根據(jù)風(fēng)頻數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)期內(nèi)5m/s及以上風(fēng)速出現(xiàn)概率超過(guò)68%。通過(guò)2012年7月22日至2013年3月28日期間的統(tǒng)計(jì),初步結(jié)果認(rèn)為某4號(hào)機(jī)組發(fā)電能力提升6%左右。更換大葉片成為提升低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的最直接有效方法。

93m葉輪直徑的風(fēng)電機(jī)組將啟動(dòng)風(fēng)速降至1.5m/s，從而使得占我國(guó)風(fēng)資源30%的超低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)資源得以有效開(kāi)發(fā)。根據(jù)遠(yuǎn)景公司公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，其93m葉輪直徑機(jī)組基于87m葉輪直徑機(jī)組開(kāi)發(fā)而成，掃風(fēng)面積增加13.2%，在年平均風(fēng)速5.5m/s情況下能夠提升發(fā)電量9%左右[5]。

另外，有消息稱，Suzlon公司于2012年6月推出一款型號(hào)為S111-2.1MW的風(fēng)電機(jī)組。據(jù)稱，該機(jī)組與同類機(jī)組相比能夠提高29%的電力輸出。而Gamesa發(fā)布了一款2.0MW低風(fēng)速機(jī)型，這款葉輪直徑達(dá)114m的機(jī)組與同類型97m葉輪直徑機(jī)型相比，掃風(fēng)面積增大了38%[5]。

3 其他優(yōu)化措施

3.1 機(jī)組廠家對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率曲線進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)

從風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出，兩個(gè)機(jī)組廠家的風(fēng)電機(jī)組功率曲線均存在一定的離散性，而且在接近額定風(fēng)速附近，兩種風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際發(fā)電功率曲線均低于保證功率曲線。所以，下一步可以督促機(jī)組廠家對(duì)機(jī)組進(jìn)一步排查，根據(jù)相對(duì)功率曲線排名，進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

3.2 發(fā)電量較低的機(jī)位進(jìn)行移機(jī)

對(duì)于發(fā)電量較低的機(jī)位，主要原因是地理位置風(fēng)資源高估造成。這部分機(jī)位通過(guò)機(jī)組技術(shù)改進(jìn)和更換長(zhǎng)葉片的辦法，提高電量非常有限，可以采取移機(jī)的辦法把機(jī)組移到風(fēng)資源較好的地區(qū)或者增加塔筒高度的方法提高發(fā)電量。

3.3 加強(qiáng)生產(chǎn)管理，做到應(yīng)發(fā)必發(fā)

在低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的紕漏對(duì)發(fā)電量的影響都較大。在來(lái)安風(fēng)電場(chǎng)存在諸如風(fēng)向標(biāo)的誤差、槳距角不能復(fù)位等原因?qū)е碌膸着_(tái)發(fā)電量明顯降低的機(jī)組。因此，低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)實(shí)施精細(xì)化管理，向生產(chǎn)要效益，加強(qiáng)生產(chǎn)運(yùn)行分析，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)和控制策略，重視場(chǎng)用電和風(fēng)電機(jī)組自耗電的管理工作，深入挖潛增效。

[1]Gadian,A,Dewsbury,J. Directional persistence of low wind speed observations[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2004，92（12）: 1061—1074.

[2] 張志英,趙萍,李銀鳳,劉萬(wàn)琨.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3] 王清,許斌.安徽省風(fēng)力電場(chǎng)規(guī)劃[J].電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)，2006,12 (6):48-50.

[4] 吳功高,葉中雄,姚明,等.安徽電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的分析研究[J].華東電力,2011, 39（6）: 997-999.

[5] 趙靚.低風(fēng)速型風(fēng)電機(jī)組發(fā)展調(diào)查[J].風(fēng)能, 2012（12）:54-56.

Analysis of Measures in Improving the Wind Power Generation Capacity in Low Wind Speed Wind Farm

GaoChonglun1, Wu Jinchuan1, Zhang Xiaolei1, Xu Xia2
（1. Anhui Longyuan Wind Power Co.,Ltd., Chuzhou Anhui 239200, China；
2. Hefei Planning and Design Institute of Electric Power, Hefei Anhui 230002, China）

In recent years, wind resource in rich region is limited by the resources and scale factors, people quietly turned to broader area of low wind speed, wind turbine power generation directly impacted on the economic efficiency of wind farms. As the country's first low speed wind electric field, Anhui Laian low speed wind farms has been running for two years, according to the factors that affect low speed wind farm generating capacity, this paper analyzed various wind turbine optimization programs and the power generation test solutions, then provided a reference for future wind farm design, construction, production and operation.

improve; low wind speed wind farm; generation capacity

TM614

A

1674-9219（2013）08-0056-04

2013-04-17。

高崇倫（1982-），男，學(xué)士，助理工程師，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)工作。

吳進(jìn)釧（1975-）男，學(xué)士，工程師，主要從事新能源發(fā)電企業(yè)管理和技術(shù)工作。

張小雷（1985-），男，學(xué)士，助理工程師，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)工作。

許霞（1988-），女，學(xué)士，助理工程師，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)工作。