曹陽

國電電力山西新能源開發(fā)有限公司 山西大同 037000

1 風電機組優(yōu)化指標體系建立

風能通過風力渦輪機轉(zhuǎn)換成機械能，并且機械能通過變速箱傳遞到發(fā)電機并由發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能。根據(jù)風電機組運行期間的能量流動，風力渦輪機的部件分為三部分：風力渦輪機，傳動系統(tǒng)和發(fā)電機系統(tǒng)。在將風能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，風電機組運行能量損耗如圖1所示。

圖1 風電機組運行能量損耗圖

1.1 風力機損耗

風力發(fā)電機中，風力機產(chǎn)生損耗的原因為：①風輪下游旋轉(zhuǎn)尾造成的損失；②有限的葉片數(shù)量以及附著的葉尖損失；③氣動阻力。風輪產(chǎn)生的功率為：

式中：為無量綱葉尖速比；Θ為槳距角；為風力機旋轉(zhuǎn)角速度；n為風力機旋轉(zhuǎn)速度；R為風力機風輪半徑。

在風輪傳遞過程中影響風輪效率的主要因素是風速，葉輪速度和俯仰角。因此，選擇風速，葉輪速度和槳距角作為影響風力渦輪機損失的相關參數(shù)。

1.2 傳動系統(tǒng)損耗

齒輪箱功率損失主要包括攪油損失、齒輪嚙合損失和軸承摩擦損失。

通過主驅(qū)動系統(tǒng)的損耗分析，齒輪箱速度和齒輪箱負載是影響傳動效率的因素。該裝置在運行過程中承受正常載荷和沖擊載荷，但載荷的實時監(jiān)測仍處于研究階段；同時，通過一般計算難以獲得齒輪嚙合點的滑動速度。

通過發(fā)電機的損耗分析，可以得到發(fā)電機轉(zhuǎn)速，定子電流，轉(zhuǎn)子電流，磁感應和磁場交變頻率，作為影響機組效率的因素。因此，選擇電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)電流，發(fā)電機軸承溫度，電網(wǎng)頻率，發(fā)電機定子繞組溫度和發(fā)電機速度作為雙饋發(fā)電機效率的相關參數(shù)。

2 實例分析

為了驗證該方法的有效性，以某風電場2MW并網(wǎng)風電機組為研究對象，每5min采集一次數(shù)據(jù)。選取2017年4月到10月的61618組歷史數(shù)據(jù)，并進行分析。2MW雙饋風電機組信息為：額定功率為2000kW，額定風速為9．2m/s，切入風速為3m/s，切出風速為20m/s。

2.1 選取研究的風速區(qū)間

影響機組有功功率大小的決定因素是風速。選取從4月到9月的52898個風速數(shù)據(jù)，根據(jù)頻率劃分機組的工況，4月到9月風速-概率曲線如圖2所示。

圖2 風速-概率曲線

由圖2可知，風速在5-7m/s時的頻率為0．31，高于其他風速區(qū)間，其中在5-6m/s的占51%。因此選取風速在5-6m/s時的機組歷史數(shù)據(jù)作分析。

2.2 因子分析

采樣充分度量和Bartlett測試是對5-6米/秒單位的歷史有效數(shù)據(jù)進行的。試驗結(jié)果表明，運行參數(shù)之間存在較強的相關性，優(yōu)化參數(shù)指標體系的24個參數(shù)指標具有較強的通用性，適用于因子分析。特征因子礫石特征圖如圖3所示。從圖3中可以看出，特征值在第六主成分后逐漸變平，表明前六個因子所代表的24個運行參數(shù)的線性組合可以完全解釋風速為5-6米/秒的機組運行狀態(tài)。因此，選擇前六個因子作為操作參數(shù)的公因子。

圖3

2.3 運行參數(shù)的基準值

對應于集群中心的運行參數(shù)是在5-6m/s風速下單元運行參數(shù)的參考值。表中顯示了5-6m/s的設備運行參數(shù)的參考值。集群中心是從歷史數(shù)據(jù)中選擇的數(shù)據(jù)，與集群中心對應的運行參數(shù)是當前狀態(tài)下單元的更好值。集群中心用作參考基準，不僅考慮了設備的運行狀態(tài)，還優(yōu)化了設備的有用功率，最終增加了設備的發(fā)電量。

運行參數(shù) 聚類中心1 2 3 4 0.36 0.31 0.60 0.30 v 5.30 5.60 5.80 5.40 p 444.00 500.00 469.00 444.00 n1 10.44 10.67 10.55 10.37 θ 0.00 0.00 -0.01 0.03 T1 58.40 59.00 59.50 56.50 T2 62.51 60.40 68.25 65.24 T3 51.30 54.30 53.80 50.70 U1 398.00 396.00 396.00 400.00 I1 367.01 398.98 374.60 366.08 T4 56.52 51.16 58.64 50.82 T5 37.00 40.30 42.80 41.00 T6 42.40 36.60 46.80 41.10 f 50.02 50.04 50.01 50.02 n2 1362.93 1392.79 1377.13 1353.20 T7 9.30 17.90 20.90 18.30 d

表中：d為距離，m；v為風速，m/s；p為有功功率，kW；n1為葉輪轉(zhuǎn)速，rad/s；θ為槳距角1，T1為齒輪箱高速軸承前端溫度，℃；T2為齒輪箱高速軸承后端溫度，℃；T3為齒輪箱油溫，℃；U1為電網(wǎng)電壓1，V；I1為電網(wǎng)電流1，A；T4為發(fā)電機定子1繞組溫度，℃；T5為發(fā)電機非驅(qū)動端軸承溫度，℃；T6為發(fā)電機驅(qū)動端軸承溫度，℃；f為電網(wǎng)頻率，Hz；n2為發(fā)電機轉(zhuǎn)速，rad/s；T7為環(huán)境溫度，℃。

2.4 機組運行優(yōu)化前后對比

在使用上述模型獲得全風速下機組運行參數(shù)的基準值后，選擇兩天的機組運行數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。單元優(yōu)化前后的有功功率如圖4所示。該單元的優(yōu)化有功功率增量如圖5所示。

圖4 機組優(yōu)化前后的有功功率曲線

圖5 優(yōu)化后機組有功功率增量曲線

3 結(jié)語

針對運行期間風力發(fā)電機組有功功率低，運行狀態(tài)差的問題，提出了考慮機組損耗特性的雙饋風力發(fā)電機運行指標參考值的研究方法。最后，形成在完全操作條件下單元的操作參數(shù)的參考值表。根據(jù)運行參數(shù)的參考值，在線調(diào)整機組的運行狀態(tài)；同時，根據(jù)新生成的數(shù)據(jù)不斷更新單元的參考值，以形成閉環(huán)。