申能新能源(青海)有限公司 趙 維
中國(guó)風(fēng)電經(jīng)過(guò)數(shù)十年的高速發(fā)展已逐步度過(guò)青春期向成熟能源邁進(jìn)。在如今的技術(shù)條件和政策條件已相對(duì)完善的情況下“平價(jià)時(shí)代”如期而至,風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)進(jìn)一步壓縮。在此政策背景下,提升發(fā)電量、保障風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益成了各風(fēng)場(chǎng)業(yè)主最為關(guān)心的話題,也是支撐整個(gè)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展的重要著力點(diǎn)。
根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理和機(jī)組的結(jié)構(gòu)組成,風(fēng)機(jī)的輸出功率為P=0.5V3ρACph,式中V為風(fēng)速,ρ為空氣密度,A為風(fēng)輪掃風(fēng)面積,Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率,h為機(jī)組相關(guān)部件的工作效率??煽闯?,想要提升機(jī)組發(fā)電量可從風(fēng)資源、空氣密度、風(fēng)輪掃風(fēng)面積、風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率、機(jī)組大部件的效率幾個(gè)方面考慮。
機(jī)組風(fēng)資源的提升可從單個(gè)機(jī)組著手,也可從風(fēng)場(chǎng)整體著手。
改善單個(gè)機(jī)組的風(fēng)資源狀況。風(fēng)電場(chǎng)改善單個(gè)機(jī)組的風(fēng)資源狀況主要有“移機(jī)”和“加高塔筒”兩種方式。其中“移機(jī)”屬于較大的改造動(dòng)作,這往往是前期選址工作出現(xiàn)了失誤導(dǎo)致。在了解了項(xiàng)目基本情況后,首先要確定該項(xiàng)目是否有移機(jī)的必要,即:移機(jī)是彌補(bǔ)損失還是擴(kuò)大損失,因?yàn)橐坏┮茩C(jī)方案確定,將涉及風(fēng)機(jī)和箱變拆裝工程及土建工程、集電線路工程、采購(gòu)基礎(chǔ)環(huán)等一系列工作。而“加高塔筒”也需謹(jǐn)慎考慮,比較適合風(fēng)切變較大的風(fēng)場(chǎng),但也要重新驗(yàn)證載荷和經(jīng)濟(jì)性。
改善整場(chǎng)的風(fēng)資源狀況。通過(guò)整場(chǎng)風(fēng)資源的合理調(diào)配和扇區(qū)管理,減少機(jī)組間尾流的影響,犧牲個(gè)別機(jī)組的出力情況,可使整場(chǎng)發(fā)電性能最優(yōu)。
風(fēng)場(chǎng)空氣密度的利用優(yōu)化,即對(duì)機(jī)組控制邏輯中的最優(yōu)增益模態(tài)值Kopt調(diào)節(jié)優(yōu)化。當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行的機(jī)組基本上都用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,通過(guò)一定的控制策略和控制算法計(jì)算出最佳的轉(zhuǎn)矩,然后給定轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)換。
轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為Qd,式中V為風(fēng)速、λ為葉尖速比、Wg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、R為風(fēng)輪半徑、G為齒輪箱傳動(dòng)比、P為功率、Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率、ρ為空氣密度、Qd為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。其中即為最優(yōu)模態(tài)增益Kopt,而最佳輸出功率P=Qd×Wg。由公式可看出Kopt與空氣密度關(guān)系密切。但目前在多數(shù)機(jī)組的控制算法中所采用的空氣密度為定值,而機(jī)組的空氣密度是時(shí)時(shí)在變化的,這樣就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩最優(yōu)給定存在一定的偏差,影響發(fā)電效果。
針對(duì)以上情況,可采集機(jī)組環(huán)境的氣象數(shù)據(jù),將所得到的實(shí)時(shí)空氣密度引入控制算法中優(yōu)化控制,達(dá)到最佳轉(zhuǎn)矩給定的目的,可進(jìn)一步提高機(jī)組出力。同,根據(jù)夏冬季不同的空氣密度進(jìn)行控制策略的季節(jié)性調(diào)整,也可達(dá)到機(jī)組的精細(xì)化控制,提升發(fā)電效率[1]。
國(guó)內(nèi)早期建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)往往都處于風(fēng)資源最優(yōu)質(zhì)的區(qū)域,由于當(dāng)初由于技術(shù)條件的限制,這些風(fēng)場(chǎng)所選用的機(jī)組葉片在現(xiàn)在看來(lái)都偏小、捕風(fēng)能力較差,導(dǎo)致這些區(qū)域優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源并沒(méi)有得到充分的利用。為了讓這些小葉片機(jī)組能重新發(fā)揮更大價(jià)值,加長(zhǎng)葉片、增大掃風(fēng)面積來(lái)提升發(fā)電量無(wú)疑是最為直接的方式。
以直徑100m的葉片為例,葉片延長(zhǎng)2m掃風(fēng)面積能增加近8%,在同樣的風(fēng)速條件下,機(jī)組從來(lái)流中獲取的風(fēng)能就有可能增加8%,因此提升效果還是很可觀的,目前市場(chǎng)上的應(yīng)用案例也較多,通常有葉尖延長(zhǎng)和葉根延長(zhǎng)兩種方式。不管是哪種延長(zhǎng)方式,在方案實(shí)施前都須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格載荷計(jì)算、強(qiáng)度分析等安全性評(píng)估,在提高機(jī)組發(fā)電量的同時(shí)還要確保技改后機(jī)組能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行,不增加機(jī)組安全風(fēng)險(xiǎn)也不能減少機(jī)組壽命。另外改造后的提升效果也需要精確估算,確保成本可控,經(jīng)濟(jì)性可行[2]。
根據(jù)風(fēng)機(jī)的發(fā)電特性,風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率主要由葉片的氣動(dòng)性和最優(yōu)Cp的跟蹤策略來(lái)決定,所以風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率的提升思路也主要從這兩個(gè)方面來(lái)開(kāi)展。
1.4.1 恢復(fù)或提升葉片的氣動(dòng)特性
葉片清理/修補(bǔ)/貼膜:風(fēng)電場(chǎng)通常建于山區(qū)或近海等區(qū)域,自然環(huán)境較差,風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)期暴露在外,容易經(jīng)受環(huán)境中雨滴、冰雹、鹽霧、風(fēng)沙等粒子的侵襲,這些都是導(dǎo)致葉片腐蝕的主導(dǎo)因素,而葉片一旦遭受腐蝕后,其基體材料將直接暴露在紫外線及濕氣等惡劣環(huán)境中,更會(huì)加速葉片的老化,降低葉片的防雷指數(shù),嚴(yán)重影響機(jī)組的發(fā)電效率和運(yùn)行安全性。研究數(shù)據(jù)顯示,葉片因腐蝕、老化等缺陷對(duì)發(fā)電量造成的損失可達(dá)5%以上,由此可見(jiàn),修復(fù)葉片、盡可能恢復(fù)其原有的氣動(dòng)性(發(fā)電效率),對(duì)于風(fēng)機(jī)發(fā)電量提升將是非常有效的途徑。
根據(jù)維護(hù)經(jīng)驗(yàn),通常風(fēng)場(chǎng)在正常運(yùn)行兩年左右葉片就會(huì)有膠衣脫落、出現(xiàn)沙眼等情況,到第五年葉片外部材料基本就磨損到極限。因此,為保證風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)久健康運(yùn)行,建議每年都要對(duì)葉片定期進(jìn)行檢查,盡量選擇風(fēng)小季節(jié)針對(duì)前后緣腐蝕、葉尖及葉片避雷系統(tǒng)進(jìn)行檢查、維護(hù)、修補(bǔ)后,可在葉尖處前緣貼上風(fēng)電葉片保護(hù)膜,加強(qiáng)葉片重點(diǎn)損壞部位的防護(hù)[3]。
加裝渦流發(fā)生器:渦流發(fā)生器最早產(chǎn)生于航空領(lǐng)域,目前在風(fēng)電領(lǐng)域也得到了廣泛運(yùn)用。它通過(guò)帶動(dòng)高能流動(dòng)區(qū)域的能量進(jìn)入邊界層內(nèi)的低能區(qū)域,使流體能量重新分布、抑制了流動(dòng)分離,為機(jī)組減少由于氣流分離帶來(lái)的性能損失,提升原有的氣動(dòng)性。加裝渦流發(fā)生器后的提效通常能達(dá)到2%~3%,但并不是所有風(fēng)機(jī)都可以做,需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的理論計(jì)算。
1.4.2 優(yōu)化控制策略,跟蹤最優(yōu)Cp
最優(yōu)Cp跟蹤優(yōu)化(從傳統(tǒng)查表模式優(yōu)化成PI控制模式):目前大多數(shù)風(fēng)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行在中低風(fēng)速區(qū)間的時(shí)段最多,因此優(yōu)化好這一風(fēng)速區(qū)間的控制策略,追求最佳的風(fēng)能利用系數(shù)(Cp),將會(huì)對(duì)機(jī)組發(fā)電量的提升起到關(guān)鍵作用。對(duì)于采用給定轉(zhuǎn)矩控制的風(fēng)電機(jī)組,在早期的控制策略中轉(zhuǎn)矩給定是通過(guò)查表法來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)查對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩,從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)Cp的跟蹤(圖1中ABEFGH)。該方法雖然簡(jiǎn)單方便但局限性也明顯:由于機(jī)組受最小并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的約束,查表法在兩個(gè)邊界轉(zhuǎn)速上,只能采用斜率較大的過(guò)渡斜線(AB→AC、EF→DF)來(lái)表征轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系,這種過(guò)渡斜線的方法縮短了最佳葉尖速區(qū)間,減少了機(jī)組的發(fā)電量;在圖1中CD區(qū)間段,由于查表法點(diǎn)數(shù)有限,通常需要通過(guò)線性插值方式來(lái)計(jì)算給定轉(zhuǎn)矩,實(shí)際上并不能很好跟蹤這段曲線。為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲,風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩就得沿著圖中ABEF軌跡運(yùn)行,目前常用的辦法是可采用比例積分(PI)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。
圖1 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制邏輯
圖2 某風(fēng)場(chǎng)葉片零位校準(zhǔn)舉例
葉片零位校準(zhǔn):根據(jù)Cp-λ曲線可知,風(fēng)機(jī)在功率上升階段應(yīng)保持正對(duì)風(fēng)(即槳角0度)的狀態(tài)才能跟蹤最優(yōu)Cp。因此風(fēng)機(jī)葉片零位設(shè)置是否準(zhǔn)確,將直接影響機(jī)組在功率上升階段對(duì)于風(fēng)能的利用效率。以某風(fēng)電場(chǎng)為例,該風(fēng)場(chǎng)機(jī)組葉片零位普遍存在偏差,導(dǎo)致發(fā)電效率低下。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,該系列機(jī)組葉片處于4度槳角時(shí)才相當(dāng)于正常的零位,經(jīng)過(guò)0位校準(zhǔn)后機(jī)組功率恢復(fù)了正常的輸出水平。
根據(jù)風(fēng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化原理,風(fēng)能經(jīng)過(guò)葉輪吸收后需經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈上一系列部件轉(zhuǎn)化,最后由發(fā)電機(jī)輸出為電能,在這整個(gè)過(guò)程中傳動(dòng)鏈上各部件的運(yùn)行效率(機(jī)械效率、電氣效率、自耗電等)將對(duì)最終輸出有著重要影響。因此,提升傳動(dòng)鏈部件的運(yùn)行效率將是機(jī)組發(fā)電量的提升的一個(gè)有用方向。
根據(jù)大多數(shù)風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn),可參考的思路有:優(yōu)化相關(guān)部件設(shè)計(jì)缺陷。如散熱器功率低,繼電器電流閥值過(guò)小等;恢復(fù)、提高部分傳感器及零部件精度。如轉(zhuǎn)速傳感器精度、溫控閥改造等;根據(jù)風(fēng)場(chǎng)特定環(huán)境,如春天容易飄柳絮堵塞散熱口、冬天溫度太低影響潤(rùn)滑等情況,可制定相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化策略,保障相關(guān)部件的正常健康運(yùn)行。
一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電能力,除與先天的風(fēng)資源條件及所選機(jī)組的質(zhì)量水平有關(guān)外,運(yùn)維團(tuán)隊(duì)的管理水平也是一個(gè)不容忽視的影響因素??茖W(xué)合理的運(yùn)維管理能使機(jī)組充分利用風(fēng)力資源,減少故障發(fā)生頻率,保持機(jī)組健康穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài),最終達(dá)到獲取最大發(fā)電量的目的。
檢修維護(hù)策略優(yōu)化。分析歷年風(fēng)速和限電數(shù)據(jù),合理編制全年檢修和技改時(shí)間計(jì)劃,不限電地區(qū)安排在小風(fēng)期,限電地區(qū)安排在限電嚴(yán)重月份;備品備件管理優(yōu)化。做好備品備件的統(tǒng)計(jì),分析使用情況,準(zhǔn)確掌握常用備品需求,合理進(jìn)行儲(chǔ)備;負(fù)荷調(diào)度管理優(yōu)化。積極與調(diào)度溝通,在電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令下,根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備特性,確定風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量和風(fēng)電場(chǎng)送出負(fù)荷,達(dá)到增發(fā)、搶發(fā)的目的;場(chǎng)用電管理優(yōu)化。整合系統(tǒng)各類(lèi)運(yùn)行信息,結(jié)合電氣運(yùn)行方式特點(diǎn),有針對(duì)性的根據(jù)年度、季度、月度不同工況,開(kāi)展電氣設(shè)備優(yōu)化工作,不斷提高電能傳輸效率,降低場(chǎng)用電率;技術(shù)的交流與傳承。風(fēng)電場(chǎng)一般地處偏遠(yuǎn)地區(qū),人員流動(dòng)大,要確保專(zhuān)業(yè)技術(shù)的交流與傳承,保障運(yùn)維水平。
綜上,任何提升思路的落地應(yīng)用都必須經(jīng)過(guò)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)證,才能最終為風(fēng)場(chǎng)創(chuàng)造最大價(jià)值。