王風(fēng)蘭 翟紅曉 范曉波 席輝

摘 要：風(fēng)電場在實(shí)際運(yùn)行期間可以通過技術(shù)改造提升發(fā)電效率，根據(jù)國家電投（北京）新能源公司安排，組織有關(guān)人員對河南地區(qū)的風(fēng)電場發(fā)電效率提升問題進(jìn)行了專題分析研究，現(xiàn)將具體方案匯報(bào)如下。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場;發(fā)電效率;提升方案

一、基本情況

澠池丹峽風(fēng)電場地處河南省三門峽市澠池縣境內(nèi)，升壓站占地12.62畝，風(fēng)機(jī)、箱變占地15.36畝，總裝機(jī)規(guī)模48MW，年上網(wǎng)發(fā)電量9100萬千瓦時(shí)，本期裝設(shè)24臺(tái)單機(jī)容量2MW的華儀風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)接一臺(tái)2300kVA箱式變壓器，將機(jī)端690V電壓升至35kV并接入35kV集電線路，經(jīng)2回35kV架空線路送至風(fēng)電場110kV升壓站，再經(jīng)一臺(tái)50MVA主變壓器升壓至110kV，以1回110kV線路接入項(xiàng)目以西的110kV海露站。澠池丹峽風(fēng)電場于2017年12月23日全部并網(wǎng)，2018年全年發(fā)電量為11083.55萬千瓦時(shí)，全年利潤為2365.37萬元，澠池丹峽風(fēng)電場全場進(jìn)行改造之后，經(jīng)測算發(fā)電量至少提升5%，全年利潤增加118.28萬元以上。

二、電量提升方案

（一）智慧雙模發(fā)電控制技術(shù)

1.工作原理

傳統(tǒng)雙饋發(fā)電系統(tǒng)受制于電機(jī)轉(zhuǎn)子端口電壓，需要在特定的滑差范圍內(nèi)運(yùn)行，電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)速也就被限制在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。而在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率大小直接取決于當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速。這就使得在風(fēng)速較低的工況下，如果風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不能達(dá)到并網(wǎng)最低轉(zhuǎn)速，則發(fā)電機(jī)不能并網(wǎng)發(fā)電。另外，從葉片的功率系數(shù)Cp曲線和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線對比可以知道，傳統(tǒng)雙饋機(jī)組在較低風(fēng)速下，為了保證機(jī)組能并網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，葉片無法工作在最佳葉尖速比下，風(fēng)機(jī)輸出功率較小。

而對于雙模系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)雙饋系統(tǒng)工作的不同風(fēng)速段，可以采用不同的運(yùn)行模式，不受滑差的限制，保證系統(tǒng)在可發(fā)電風(fēng)速區(qū)內(nèi)始終跟蹤最佳葉尖速比，最大效率的輸出功率。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于傳統(tǒng)雙饋機(jī)組的最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，可以通過短接發(fā)電機(jī)的定子，使機(jī)組工作在異步發(fā)電狀態(tài)，獲得全功率風(fēng)電系統(tǒng)的性能，提高機(jī)組的年均發(fā)電小時(shí)數(shù)。當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，可以切換回雙饋模式。

雙?？刂颇Ｊ侥軌蛴行У慕档腿A儀2MW風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速，華儀風(fēng)能公司化德三勝項(xiàng)目2.5MW機(jī)組雙模改造后，5m/s風(fēng)速以下的工況，機(jī)組整體發(fā)電量顯著提升2%。功率曲線得到顯著優(yōu)化，切入風(fēng)速降低至2.5m/s。

2.改造內(nèi)容

澠池丹峽風(fēng)電場風(fēng)機(jī)雙模改造工作分為兩個(gè)部分，分別是硬件改造和軟件升級。

（1）硬件改造。a.并網(wǎng)接觸器和電機(jī)定子間并聯(lián)一個(gè)定子短接接觸器（上圖中標(biāo)注部分），定子短接接觸器額定電流為700A。b.單板增加定子短接接觸器的控制和反饋信號，配電增加定子短接接觸器和并網(wǎng)接觸器硬件互鎖功能，防止并網(wǎng)接觸器和定子短接接觸器同時(shí)閉合將電網(wǎng)短接。

（2）軟件升級。a.需要升級主控程序和變流器程序，在主控和變流器通訊協(xié)議中增加一位控制字，由主控變流器發(fā)送雙饋或者鼠籠運(yùn)行模式，如1代表鼠籠運(yùn)行模式，0代表雙饋運(yùn)行模式。b.增加鼠籠異步模式的故障保護(hù)，列如修改過速、欠速門限設(shè)置，機(jī)側(cè)過流故障保護(hù)，定子接觸器故障保護(hù);根據(jù)國際要求對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。

3.改造時(shí)長

在接觸器采購?fù)瓿珊?，華儀風(fēng)能對風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工作安排，一臺(tái)風(fēng)機(jī)改造粗略需2個(gè)工作日，全場工作完成需48個(gè)工作日。

（二）雙PI控制

1.工作原理

雙PI控制又可稱為“最大風(fēng)能捕獲技術(shù)”，在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速附近采用PI控制，并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之間采用跟蹤最佳尖速比控制的新控制策略，即雙PI控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率最大化，使風(fēng)機(jī)能夠最大程度的吸收風(fēng)能，從而優(yōu)化風(fēng)機(jī)的功率曲線和提升風(fēng)機(jī)的發(fā)電量。雙PI控制策略解決了傳統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表控制的局限性，最大程度使機(jī)組處于最佳尖速比運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到提升發(fā)電量，優(yōu)化功率曲線的目的，功率曲線對比如下。

控制策略對比圖

2.改造內(nèi)容

澠池丹峽風(fēng)電場風(fēng)機(jī)已經(jīng)采用雙PI控制，對原有控制算法進(jìn)行優(yōu)化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制。此改造僅僅能夠提升一小部分發(fā)電量，效果并不明顯。山西新能源云霧峪風(fēng)電場風(fēng)機(jī)原本是單PI控制，改為雙PI控制后發(fā)電量提升約12%。

3.改造時(shí)長

此方案僅對系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，工期較短，僅為5到7個(gè)工作日即可完成。

（三）額定功率提升及智能群控

1.工作原理

額定功率提升：在原有額定功率基礎(chǔ)上，不改變機(jī)組結(jié)構(gòu)配置，根據(jù)機(jī)組本身傳動(dòng)載荷、塔筒載荷情況及其他余量，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定的前提下，綜合評估機(jī)組最大負(fù)荷裕度，從而確定機(jī)組超發(fā)百分比，通過提升機(jī)組額定功率，使得單臺(tái)機(jī)組在額定風(fēng)速下發(fā)電量提升，從而提升全場發(fā)電量。具有負(fù)荷裕度的風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組超發(fā)，預(yù)計(jì)可使發(fā)機(jī)組年發(fā)電量增加1%-2%左右。在保證電網(wǎng)容量不存在問題情況下，額定功率提升該項(xiàng)方案使得機(jī)組發(fā)電效率能夠發(fā)揮最佳的效果。

智能群控：在保證風(fēng)場額定總量不超過的前提下，風(fēng)能條件良好的風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)超額發(fā)電，填補(bǔ)風(fēng)能條件不好的風(fēng)機(jī)，從而提升正常發(fā)電量大約2%。

2.改造內(nèi)容

需完成負(fù)荷余量計(jì)算工作（華儀風(fēng)能技術(shù)部已經(jīng)測算完成），通過更改控制策略可以達(dá)到功率提升，預(yù)計(jì)能夠提升5%，即額定功率需重新設(shè)置為2100kW。升級scada后臺(tái)后，增加智能群控的功能，采用統(tǒng)一的控制策略。

3.改造時(shí)長

一周內(nèi)能夠完成風(fēng)場所有風(fēng)機(jī)控制策略的升級工作。

三、軟切出（切出風(fēng)速延伸）

（一）工作原理

軟切出是指提高機(jī)組的切出風(fēng)速，通過控制策略的優(yōu)化，使機(jī)組能在切出風(fēng)速以上的條件下繼續(xù)發(fā)電。首先對風(fēng)場超出設(shè)計(jì)切出風(fēng)頻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若評估風(fēng)速段的發(fā)電收益可觀，并且機(jī)組載荷在設(shè)計(jì)包絡(luò)范圍內(nèi)，超出設(shè)計(jì)切出風(fēng)速的風(fēng)速段采用降轉(zhuǎn)速和降功率運(yùn)行，延長風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)速范圍，在高風(fēng)速增強(qiáng)發(fā)電能力。

（二）改造內(nèi)容

對風(fēng)機(jī)負(fù)荷進(jìn)行評估，從而確定可實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)的發(fā)電量提升率;對風(fēng)機(jī)控制器的風(fēng)機(jī)切出和在切入風(fēng)速進(jìn)行重新配置。

（三）改造時(shí)長

一周內(nèi)完成軟切出的升級改造工作。

四、分析與建議

上述三個(gè)部分分別對基本情況、改造方案及報(bào)價(jià)進(jìn)行說明，整體改造方案分為四個(gè)部分，其中主要能夠發(fā)揮作用的改造項(xiàng)分別是雙模控制和額定功率提升這兩個(gè)工作項(xiàng);雙PI控制和軟切出所起到的作用并不大，并且還需侵占風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)之初所留有的裕度。三門峽地區(qū)風(fēng)速超出25m/s的情況極少，因此軟切出改造對于丹峽風(fēng)電場不是特別適用;丹峽風(fēng)電場風(fēng)機(jī)本身采用控制方式為雙PI控制，程序優(yōu)化之后對于發(fā)電量提升較為有限。并且華儀風(fēng)能針對軟件升級需收取改造費(fèi)，其中接觸器為硬件改造，需在廠家購買;其余為軟件升級提升，此項(xiàng)為華儀自行研發(fā)，華儀風(fēng)能公司收取技術(shù)費(fèi)用。

綜上所述，澠池丹峽風(fēng)電場發(fā)電量提升存在較大空間，改造過程中硬件需添加模塊，其余均為軟件改造，軟件改造價(jià)格可與華儀風(fēng)能公司協(xié)商后降低，整體費(fèi)用還存在下降空間。澠池丹峽風(fēng)電場在整體改造采用主要改造措施之后，發(fā)電量能夠提升5%左右，對公司的發(fā)展能夠起到良好的作用，適合立即進(jìn)行改造工作。