袁振強,劉 壯

(國家電投集團山東新能源有限公司,濟南 250000)

0 引 言

近幾年，我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為迅速，特別是風力發(fā)電市場占有率增長較快，截止2019年底，全國風電裝機達到2.1億千瓦。由于風力發(fā)電場的開發(fā)與風機設(shè)備技術(shù)發(fā)展不協(xié)調(diào)、風資源變化等因素，導致風電場利用小時數(shù)相對較低，嚴重影響發(fā)電效益。因此有必要提高這些風電機組的發(fā)電能力。

已投運的風力發(fā)電機組提效有很多種方法，例如風機控制系統(tǒng)升級、葉片加長等技術(shù)方案?？刂葡到y(tǒng)升級相比較而言成本較低，提高發(fā)電量1%～2%。更換長葉片提高發(fā)電量8%～15 %，成本較高。葉尖加長能夠保證完整的氣動特性延伸，且葉尖受載荷不大。加裝合理長度的葉尖對機組強度影響不大。通過研究和樣機試驗，葉尖加長技術(shù)能保障機組性能、安全性，經(jīng)濟性好、回收周期短，綜合效益高。

1 葉尖延長發(fā)電量提升理論分析

1.1 葉片長度及影響發(fā)電量的原理

兆瓦級風力發(fā)電機組葉片葉尖延長提效技術(shù)的原理是源于動量葉素理論，通過增加風輪掃風面積來達到機組增效的目的。在風電機組葉片設(shè)計中，風力機吸取風能的系統(tǒng)可以簡化成致動盤模型，結(jié)合致動盤模型上、下游的動量守恒定律、質(zhì)量守恒定律及空氣的伯努利方程，可以得到風力發(fā)電機組有效功率與風輪掃風面積的關(guān)系式：

P=0.5*CP*ρ*V3*R2*π*η1*η2

(1)

式中，η1為傳動鏈效率；η2為電機效率。由公式可知，對運行的風電機組來說，現(xiàn)場的空氣密度、葉片的風能利用系數(shù)、風況水平均已確定，而葉片長度的二次方與其輸出功率成正比。

在相同的風資源條件(風輪來流風速相同，設(shè)計空氣密度相同)下，當通過優(yōu)化葉片設(shè)計實現(xiàn)葉片最佳Cp相近時，風輪掃風面積即為影響葉片出功的核心因素。風力發(fā)電機組葉片葉尖延長后，風輪掃風面積將會增大，達到風力發(fā)電機組增功的目的。

1.2 葉尖延長理論功率曲線仿真

以某1.5 MW 82米葉輪風機為設(shè)計原型，使用原葉片翼型族進行插值，在原葉片葉尖處，順延1.5米葉尖設(shè)計，如圖1所示。

保持原機組系統(tǒng)參數(shù)不變情況下，進行進行理論功率曲線計算。

1.3 綜合發(fā)電量提升對比

對比改造前后的理論功率曲線，再計算年平均風速8.5、8、7.5、7、6.5、6 m/s下對應(yīng)標準Rayleigh分布下的風頻。通過切入到切出范圍內(nèi)風速出現(xiàn)的頻率乘以該風速對應(yīng)的電功率再乘以全年小時數(shù)，可以得到年發(fā)電量，對比改造前后的年發(fā)電量提升，可以得出在不同風速等級的風場電量提升對比。

2 載荷安全性分析

風機主要載荷由葉片吸收風能產(chǎn)生；根據(jù)葉素理論，葉片延長，掃風面積將會增加，載荷隨之提高，風在葉片半徑為r處長度為dr的葉素產(chǎn)生的推力：

(2)

式中，W為相對風速。葉輪推力為各葉素推力合力，因此葉尖延長部分雖然弦長短，但速度高，仍然產(chǎn)生額外的推力疊加到原推力上；同時，加長部分距離旋轉(zhuǎn)中心遠，同樣的力產(chǎn)生的彎矩更大，加之葉輪最高點與最低點風剪切引起風速差，都將帶來傾覆力矩的增加。葉片加長后，質(zhì)量增加，葉片固有頻率將會隨之改變，風機動力學特性也會發(fā)生變化，需要進行模態(tài)分析，避免共振。

3 葉片延長方案設(shè)計

葉尖延長產(chǎn)品設(shè)計需要進行詳細機組載荷計算與結(jié)構(gòu)安全性評估，以平衡葉片延長節(jié)長度與機組載荷之間的關(guān)系，使葉片延長長度達到最優(yōu)，同時使機組載荷滿足安全性要求，具有良好的可行性，圖2所示為某葉片葉尖延長設(shè)計模型示意圖。

葉尖延長前期開發(fā)包括葉片及葉尖氣動與載荷優(yōu)化設(shè)計、葉尖結(jié)構(gòu)設(shè)計、葉片粘接設(shè)計、綜合結(jié)構(gòu)剛度及強度優(yōu)化、工藝方案設(shè)計、防雷設(shè)計、型式試驗等，項目落實環(huán)節(jié)主要包括產(chǎn)品生產(chǎn)、高空實施、產(chǎn)品運行、效果評估等。在葉尖延長產(chǎn)品已完成型式認證試驗及樣機運行試驗的前提下，

產(chǎn)品批量高空實施及工藝質(zhì)量控制成為制約此類項目運行可靠性的關(guān)鍵點。

3.1 葉片延長節(jié)定制化

葉片延長節(jié)結(jié)構(gòu)的安全性、適用性、耐久性等統(tǒng)稱為其產(chǎn)品可靠性，結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性在完成型式試驗及產(chǎn)品認證的情況下，已滿足產(chǎn)品基本要求。風電葉片葉尖延長技術(shù)，通常采用結(jié)構(gòu)膠粘接的型式與主體葉片連接，膠接質(zhì)量的好壞直接影響葉片的使用壽命。

延長節(jié)產(chǎn)品從生產(chǎn)到實施安裝，最后到壽命期內(nèi)的安全運行，各環(huán)節(jié)均受到環(huán)境、人為因素多方面的影響，存在不可完全避免的質(zhì)量風險如葉尖雷擊、葉尖脫落等。針對葉尖延長節(jié)產(chǎn)品的自身技術(shù)特點及其潛在的運行風險，對延長節(jié)產(chǎn)品進行了定制化設(shè)計。在確保機組葉片及延長節(jié)運行安全的前提下，提升機組年發(fā)電量，提升機組效率。

3.2 延長節(jié)設(shè)計優(yōu)化

葉片延長節(jié)產(chǎn)品，采用高強度、高模量的環(huán)氧玻纖材料體系，有效降低延長節(jié)自身重量及載荷。延長節(jié)內(nèi)置腹板與主體葉片腹板對接，優(yōu)化連接方式，充分提高延長節(jié)與主體葉片之間粘接的結(jié)構(gòu)安全及持久可靠性。

3.3 延長節(jié)音視頻監(jiān)測

本系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)配備高清音頻采集器及智能云臺相機，24小時持續(xù)對延長節(jié)高清視頻及音頻進行采集，通過系統(tǒng)內(nèi)置芯片完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，經(jīng)過塔頂交換機、塔架交換機、風場環(huán)網(wǎng)、核心交換機發(fā)到圖像處理核心服務(wù)器上，在音視頻處理核心服務(wù)器上進行音頻及圖像數(shù)據(jù)分析。以圖像為例，采集到的視頻首先根據(jù)葉片的清晰程度截取圖片，僅保存圖像中出現(xiàn)清晰葉片的圖片，隨后對圖片進行邊緣檢測、圖片分割，去除圖像的背景信息，降低由于天空中背景造成圖像識別干擾，最后通過深度學習網(wǎng)絡(luò)判斷所拍攝的葉片是否出現(xiàn)葉片延長節(jié)損傷(或脫落)，如若損傷(或脫落)則立即發(fā)出報警信號，提醒現(xiàn)場工作人員采取緊急措施。延長節(jié)音視頻監(jiān)控，具備葉片及葉尖運行狀態(tài)監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集，重大損傷預(yù)警等功能，在各種氣象條件下如雨天、雪天、陰天、霧天、夜晚均可以實現(xiàn)葉片延長節(jié)故障的識別。

3.4 延長節(jié)防脫系統(tǒng)

延長節(jié)產(chǎn)品與主體腹板內(nèi)置防脫設(shè)計，避免葉片運行極端情況下的葉尖延長節(jié)直接脫落，為機組運行安全提供最后保障。防脫組件結(jié)構(gòu)強度在滿足葉尖脫落產(chǎn)生的復雜載荷的情況下，同時具備耐老化、抗摩擦、防雷擊等特性。其主要系統(tǒng)組件與葉片延長節(jié)一體真空灌注成型，采用預(yù)安裝設(shè)計，縮短額外部署實施工時及作業(yè)量。

綜述，在機組正常運行狀態(tài)下，延長節(jié)音視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控延長節(jié)運行，延長節(jié)區(qū)域產(chǎn)生雷擊、殼體開裂、粘接區(qū)域失效等損傷，觸發(fā)系統(tǒng)預(yù)警并及時維護；不可抗力下的極端葉尖損傷脫落事故，在音視頻監(jiān)控無法緊急應(yīng)對的情況下，防脫系統(tǒng)啟動，避免延長節(jié)高速運轉(zhuǎn)下拋出，墜落，造成嚴重的二次傷害，同時視頻監(jiān)測系統(tǒng)觸發(fā)、機組及時停機。

4 樣機試驗驗證

選擇某地區(qū)年平均風速5 m/s風場中運行5年的3臺風機，針對風電場風資源信息及機組配置情況，在原GW82/1500機組40.3 m葉片葉尖延長進行葉尖加長1 800 mm，記錄改造前的半年個月運行數(shù)據(jù)和改造后半年數(shù)據(jù)。延長節(jié)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 延長節(jié)主要參數(shù)表

4.1 發(fā)電量驗證方法

該風場采用兩種方式進行驗證，其一是單臺機組歷史同期發(fā)電量對比，其二是含對比機組的發(fā)電量對比。兩種驗證方法只適用于驗證期間未更換過風向標風速儀的機組優(yōu)化效果驗證。完成所有優(yōu)化的現(xiàn)場施工后，經(jīng)雙方同意進入驗證期。驗證期原則上不少于2個月，不多于3個月，但在有效數(shù)據(jù)量不足時可經(jīng)友好協(xié)商適當延長最多不超過2個月。

發(fā)電量是按照機組在對應(yīng)時期的實際功率曲線與相應(yīng)風頻加權(quán)計算得到，具體計算公式見公式(3)。

(3)

4.1.1 單臺機組歷史同期發(fā)電量對比

采用公式(3)計算單臺風機在優(yōu)化后時間段和歷史同期時間段的發(fā)電量，通過前后發(fā)電量對比計算得到發(fā)電量提升比。發(fā)電量提升比R的計算方法參見公式(4)。機組葉尖延長優(yōu)化后理論上額定風速會較之前有所提前，且額定風速之前的功率曲線均會有一定程度的左移，該驗證方法可直觀計算出功率曲線改善為機組帶來的發(fā)電量提升比例。

(4)

4.1.2 含對比機組的發(fā)電量對比

挑選與葉片延長機組環(huán)境參數(shù)相近、運行狀態(tài)相似的未進行葉片延長的機組作為對比機組，采用公式(5)計算機組對比提升比例。該方法可一定程度上排除兩個時期環(huán)境因素的改變對提升比例的影響。

(5)

4.2 數(shù)據(jù)處理方法

4.2.1 數(shù)據(jù)平均方法

對數(shù)據(jù)進行時刻轉(zhuǎn)換，計算每個時刻最近的整點時刻，將處理后時刻作為分組依據(jù)，統(tǒng)計各個字段在該整點時刻內(nèi)的平均值作為整點平均值。如果某個整點時刻所含的數(shù)據(jù)記錄數(shù)少于60條，則舍棄此整點時刻所有記錄。

4.2.2 剔除無效數(shù)據(jù)

功率提升工作只針對機組正常運行時發(fā)電能力的提升，因此只選取機組正常運行時的數(shù)據(jù)進行分析，這些數(shù)據(jù)被稱為有效數(shù)據(jù)(均針對10分鐘平均數(shù)據(jù)而言)

4.2.3 剔除粗差

按照以下步驟剔除額定功率以下的每一個風速bin的粗大誤差。

(1)對功率散點進行線性回歸，并計算殘差v。其中殘差定義為數(shù)據(jù)點與回歸線之差。

(2)根據(jù)GBT 4882-2001對每一個bin的殘差進行正態(tài)性檢驗。若通過，則進行下一步，否則停止。

(3)根據(jù)GBT 4883-2008剔除粗大誤差。具體執(zhí)行規(guī)則為，數(shù)據(jù)點n>50時，用3sigma準則；30

(4)剔除粗大誤差后再回到a，直到?jīng)]有粗大誤差為止。

4.3 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如圖3，圖4，圖5所示。

通過三臺機組技改前后功率曲線對比圖，可以看出技改后每臺機組功率曲線相比都有了明顯提升，歷史數(shù)據(jù)單機對比，發(fā)電量提升量分別為7.8%、9.4%、8.4%，平均提升8.5百分點；相鄰機組發(fā)電量提升對比，發(fā)電量提升量分別為6.7%、7.15%、6.9%，平均提升6.92%，由此證明葉片延長技術(shù)對風力發(fā)電機組發(fā)電能力提升具有較大幫助。

5 結(jié)束語

通過此項技術(shù)使為國家新能源行業(yè)帶來新技術(shù)、新應(yīng)用，徹底解決提升發(fā)電量的目的，能夠創(chuàng)造更多的價值，為我國新能源行業(yè)技術(shù)革新提供參考。