劉 楊

(中國能源建設(shè)集團(tuán)科技發(fā)展有限公司，天津 300012)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制系統(tǒng)，采用主動(dòng)對(duì)風(fēng)控制策略，通過安裝在機(jī)艙尾部的風(fēng)向標(biāo)反饋風(fēng)向角度決定是否偏航，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)輪的迎風(fēng)位置，使得機(jī)組實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲和降低載荷。機(jī)組對(duì)風(fēng)誤差不但減少了風(fēng)能的捕獲，同時(shí)使得對(duì)稱的風(fēng)電機(jī)組槳葉運(yùn)行時(shí)受力不均，導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)與葉片的疲勞，塔架的載荷增大。如何提高風(fēng)能捕獲的精度，提高發(fā)電量成為一個(gè)重要的問題。本文通過論述偏航系統(tǒng)的組成和功能，剖析偏航系統(tǒng)控制原理。針對(duì)目前采用的風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)位置易發(fā)生偏移、旋轉(zhuǎn)易卡澀等情況，提出了相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)方法，并通過對(duì)改進(jìn)前后的發(fā)電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本次的改進(jìn)工作效果明顯。

1 偏航基本情況

1.1 偏航系統(tǒng)的組成

偏航系統(tǒng)作為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，其主要作用是根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，正確的調(diào)整機(jī)組的迎風(fēng)方向，其合理的控制流程是保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。偏航系統(tǒng)一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動(dòng)裝置、偏航制動(dòng)器、偏航計(jì)數(shù)器、扭纜保護(hù)裝置、偏航液壓回路、風(fēng)向標(biāo)等幾個(gè)部分組成。

1.2 偏航系統(tǒng)控制原理

偏航系統(tǒng)可分為被動(dòng)偏航和主動(dòng)偏航兩種類型，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用主動(dòng)偏航控制，即由調(diào)向電機(jī)將風(fēng)輪調(diào)至迎風(fēng)位置。偏航系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其工作原理見圖1。

圖1 偏航系統(tǒng)的工作原理

1.3 風(fēng)機(jī)偏航定值設(shè)置情況

某廠家的風(fēng)電機(jī)組偏航定值設(shè)置情況見表1。偏航定值在設(shè)定時(shí)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行了規(guī)定，以7.5 m/s劃分為高風(fēng)速閥值。當(dāng)風(fēng)速儀檢測(cè)風(fēng)速小于7.5 m/s時(shí)，偏航按照低風(fēng)速下的偏航角度7.5 m/s時(shí)，偏航按照高風(fēng)速下的偏航角度進(jìn)行判斷偏航。因此，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)檢測(cè)的風(fēng)向存在偏差時(shí)，會(huì)對(duì)偏航時(shí)機(jī)產(chǎn)生很大的影響，從而對(duì)發(fā)電量產(chǎn)生一定影響。

表1 偏航定值設(shè)置情況

2 現(xiàn)實(shí)工況下風(fēng)向標(biāo)存在的問題

2.1 風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)位置偏移

風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置見圖2，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)鐵錘與N點(diǎn)重合時(shí)風(fēng)從機(jī)艙尾部吹來，風(fēng)向值為0°，此時(shí)對(duì)風(fēng)角度為180°。風(fēng)向標(biāo)0～360°，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0～10 V。

圖2 風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置

在長期的運(yùn)行過程中，由于風(fēng)向標(biāo)安裝工藝質(zhì)量、工程施工、人員維護(hù)等因素的影響，風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)向標(biāo)支撐架間的螺絲易發(fā)生松動(dòng)。當(dāng)發(fā)生松動(dòng)后，風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)將會(huì)發(fā)生偏移，影響風(fēng)向標(biāo)的測(cè)風(fēng)精度。

2.2 風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)易卡澀

風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸承在長期的運(yùn)行過程中易發(fā)生因潤滑不夠或異物進(jìn)入引起的旋轉(zhuǎn)卡澀現(xiàn)象(見圖3)，旋轉(zhuǎn)卡澀會(huì)造成對(duì)風(fēng)精度的誤差，影響機(jī)組的運(yùn)行性能。

圖3 風(fēng)向標(biāo)實(shí)物圖

3 改進(jìn)方法

針對(duì)風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)位置易發(fā)生偏移的問題，在改進(jìn)中，一般采取將風(fēng)向標(biāo)重新拆下，清理螺紋并涂抹螺紋膠，將N點(diǎn)重新固定對(duì)正。在N點(diǎn)固定擰緊固定螺栓時(shí)，一定要保證N點(diǎn)不可有任何錯(cuò)位，固定螺栓要固定可靠。

對(duì)于風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)易卡澀的問題，在改進(jìn)中，一般采取將風(fēng)向標(biāo)拆下，將風(fēng)向標(biāo)倒立過來(重錘側(cè)朝下，固定螺栓側(cè)朝上)將潤滑油滴到軸承內(nèi)。此項(xiàng)工作應(yīng)結(jié)合日常運(yùn)行及維護(hù)工作進(jìn)行，值班人員發(fā)現(xiàn)風(fēng)向標(biāo)值有誤差或兩個(gè)風(fēng)向標(biāo)偏差較大時(shí)應(yīng)做好記錄，在月巡視或檢修維護(hù)時(shí)做好風(fēng)向標(biāo)的檢查維護(hù)工作，避免因長期的運(yùn)行造成風(fēng)向標(biāo)故障停機(jī)。

4 改進(jìn)效果驗(yàn)證

4.1 變量選取

本次改進(jìn)效果驗(yàn)證選取某風(fēng)電場A03號(hào)風(fēng)機(jī)，該臺(tái)風(fēng)機(jī)在2016年12月份完成了風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)校準(zhǔn)、軸承潤滑加油等工作。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間選取改進(jìn)前的2016年1－4月份數(shù)據(jù)及改進(jìn)后的2017年9月份數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)變量及統(tǒng)計(jì)間隔為風(fēng)速、功率的10 min數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)選取的兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的氣壓等環(huán)境因素差異不大，對(duì)空氣密度影響較小(空氣密度約為1.225 kg/m3)，故功率受環(huán)境因素影響很小，數(shù)據(jù)具有可比性。

4.2 數(shù)據(jù)處理

使用風(fēng)機(jī)功率處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將選取的改進(jìn)前后的風(fēng)速、功率的10 min風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到風(fēng)機(jī)功率處理軟件中，處理軟件自動(dòng)剔除不可用數(shù)據(jù)、歸集計(jì)算各風(fēng)速下的功率值，得到改進(jìn)前后功率值及功率曲線。改進(jìn)前后的風(fēng)機(jī)功率值見表2。

表2 改進(jìn)前后風(fēng)機(jī)功率值

改進(jìn)前后功率曲線見圖4。

圖4 改進(jìn)前后功率曲線

改進(jìn)后主要風(fēng)速區(qū)間功率差值對(duì)比見圖5。

圖5 改進(jìn)后功率差值對(duì)比圖(3～10 m/s風(fēng)速區(qū)間)

4.3 改進(jìn)結(jié)果計(jì)算

按照風(fēng)速區(qū)間對(duì)改進(jìn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，借助Excel中的COUNTIF運(yùn)算函數(shù)統(tǒng)計(jì)各風(fēng)速區(qū)間對(duì)應(yīng)的風(fēng)頻，則各風(fēng)速區(qū)間下的風(fēng)力分布時(shí)間計(jì)算公式為：

以8.5～9.5 m/s風(fēng)速區(qū)間為例，其風(fēng)頻統(tǒng)計(jì)為148次，由于機(jī)組實(shí)際風(fēng)速與功率采集時(shí)間間隔為10 min，則風(fēng)力分布時(shí)間=風(fēng)頻統(tǒng)計(jì)×采集時(shí)間間隔/ 60=148×10/60=24.67 h，即原始數(shù)據(jù)8.5～9.5 m/s風(fēng)速區(qū)間的分布時(shí)間為24.67 h。按照以上方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，則改進(jìn)后各風(fēng)速區(qū)間下風(fēng)力分布時(shí)間統(tǒng)計(jì)情況見表3。

表3 改進(jìn)后風(fēng)力分布時(shí)間統(tǒng)計(jì)

改進(jìn)電量計(jì)算公式為：

式中：P為改進(jìn)電量；Pi為各風(fēng)速區(qū)間段功率

差值；Ai為各風(fēng)速區(qū)間段風(fēng)力分布時(shí)間。

以8.5～9.5 m/s風(fēng)速區(qū)間為例(將8.5～9.5 m/s風(fēng)速區(qū)間劃分到9 m/s風(fēng)速下)，9 m/s的風(fēng)速下改進(jìn)前后的功率差值為33.92 kW，則改進(jìn)電量為：33.92×24.67= 836.81 kWh。采用相同的計(jì)算方法計(jì)算各風(fēng)速區(qū)間對(duì)應(yīng)的改進(jìn)電量，將各風(fēng)速區(qū)間對(duì)應(yīng)的改進(jìn)電量進(jìn)行求和，合計(jì)約0.1萬kWh，即2016年9月份通過風(fēng)向標(biāo)的改進(jìn)工作，A03號(hào)風(fēng)機(jī)共提升電量約0.1萬kWh。

改進(jìn)電量統(tǒng)計(jì)情況見表4。

表4 改進(jìn)電量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

本文重點(diǎn)針對(duì)風(fēng)電場風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)位置易發(fā)生偏移、旋轉(zhuǎn)易卡澀等問題，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，并通過對(duì)風(fēng)向標(biāo)改進(jìn)前后的風(fēng)機(jī)發(fā)電量進(jìn)行分析，驗(yàn)證了改進(jìn)效果明顯，為進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行、提升風(fēng)機(jī)發(fā)電量起到了積極作用。

[1]楊校生.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2]羅承先.世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與前景預(yù)測(cè)[J].中外能源，2012，17(3).

[3]李曉燕.兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2006.

[4]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.