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        風(fēng)電機(jī)組能效分析及優(yōu)化研究

        2022-11-07 08:29:40劉保松張樂(lè)平許新瑞
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年31期
        關(guān)鍵詞:距角變槳速比

        劉保松,張 偉,張樂(lè)平,許新瑞

        (華電電力科學(xué)研究院有限公司,杭州 310030)

        全球氣候變化嚴(yán)重影響到人類(lèi)生存環(huán)境,在此背景下,風(fēng)電作為清潔的可再生能源,受到了世界各國(guó)的高度重視并得到快速發(fā)展,截至2020年底,我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)2.81億kW。但由于工期緊、規(guī)模大等原因,導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組投運(yùn)后存在能效偏低、發(fā)電效益差等問(wèn)題,因此如何提升風(fēng)電機(jī)組能效對(duì)促進(jìn)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展具有重要的影響。

        1 風(fēng)電機(jī)組能效分析

        1.1 風(fēng)電機(jī)組功率曲線分析

        將SCADA秒級(jí)數(shù)據(jù)的風(fēng)速、功率,計(jì)篩除異常數(shù)據(jù)后,采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18451.2—2021《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)試》中的方法,將風(fēng)速按1 m/s劃分區(qū)間,根據(jù)下式對(duì)每一風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)速平均值和輸出功率平均值。

        式中:Vi為第i個(gè)區(qū)間的平均風(fēng)速,m/s;Vn,i,j為第i個(gè)區(qū)間內(nèi)第j個(gè)數(shù)組的風(fēng)速,m/s;Pi為第i個(gè)區(qū)間的平均功率,kW;Pn,i,j為第i個(gè)區(qū)間內(nèi)第j個(gè)數(shù)組的功率,kW;Ni為第i個(gè)區(qū)間內(nèi)10 min平均數(shù)據(jù)的數(shù)組個(gè)數(shù)。

        根據(jù)風(fēng)場(chǎng)提供的8臺(tái)風(fēng)電機(jī)的SCADA歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)等資料,對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行信息挖掘和處理,根據(jù)合同及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率曲線一致性進(jìn)行分析。

        由圖1可見(jiàn),在低于12 m/s的風(fēng)速段,各風(fēng)機(jī)的功率曲線均低于保證功率曲線。由此判斷風(fēng)機(jī)能效未能充分發(fā)揮,風(fēng)機(jī)控制存在一定的問(wèn)題(偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、變流器性能及控制策略存在問(wèn)題)。

        圖1 各風(fēng)機(jī)功率曲線

        1.2 偏航性能分析

        以風(fēng)向與機(jī)艙位置的夾角——錯(cuò)風(fēng)角為評(píng)估風(fēng)電機(jī)組偏航性能的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)錯(cuò)風(fēng)角-功率圖的對(duì)比分析,可以對(duì)全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組偏航性能評(píng)估。將各風(fēng)機(jī)正常并網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行錯(cuò)風(fēng)角分區(qū)間,為-14~-10°、-10~-6°、-6~-2°、-2~2°、2~6°、6~10°及10~14°,求取各錯(cuò)風(fēng)角區(qū)間的功率平均值,其中錯(cuò)風(fēng)角為0°表示正對(duì)風(fēng),此時(shí)功率平均值高于其他錯(cuò)風(fēng)角區(qū)間功率平均值,表示風(fēng)機(jī)的對(duì)風(fēng)效果好。

        從圖2中可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論調(diào)整前后,均有部分機(jī)組的平均功率最高值未落在-2~2°區(qū)間內(nèi)。風(fēng)機(jī)在2~6°或者-6~-2°區(qū)間內(nèi),偏航對(duì)風(fēng)有一定的誤差。

        圖2 各機(jī)組功率與錯(cuò)風(fēng)角趨勢(shì)圖

        1.3 變槳性能分析

        1.3.1 分析風(fēng)機(jī)是否存在提前變槳情況

        選取本風(fēng)場(chǎng)功率曲線一致性較好#4風(fēng)機(jī)與功率曲線一致性較差的#7、#8風(fēng)機(jī)進(jìn)行以下分析。通過(guò)對(duì)機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到相應(yīng)功率-槳距角變化圖,分析風(fēng)機(jī)是否存在提前變槳、3支槳葉是否同步等問(wèn)題,從而對(duì)風(fēng)電機(jī)組變槳性能進(jìn)行評(píng)估。

        由圖3可見(jiàn),#7、#8風(fēng)機(jī)在1 150 kW左右就開(kāi)始變槳,存在一定程度的提前變槳,可能對(duì)機(jī)組出力造成影響。進(jìn)一步分析風(fēng)速-槳距角,對(duì)比機(jī)組相同風(fēng)速下的平均槳距角,分析機(jī)組是否通過(guò)風(fēng)速來(lái)控制變槳。

        圖3 風(fēng)機(jī)槳距角-功率曲線圖

        1.3.2 分析風(fēng)機(jī)是否存在槳距角不一致情況

        分析#7風(fēng)機(jī)槳距角隨時(shí)間變化情況,對(duì)風(fēng)機(jī)的3個(gè)槳距角隨時(shí)間變化趨勢(shì)作圖。

        由圖4可知,3個(gè)槳距角隨時(shí)間變化時(shí)完全重合,認(rèn)為#7機(jī)組槳距角之間不存在偏差。

        圖4 #7風(fēng)機(jī)槳距角-時(shí)間曲線圖

        1.4 控制參數(shù)分析

        (1)分析風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速-功率設(shè)定是否合理。剔除機(jī)組的限功率數(shù)據(jù)后,計(jì)算各轉(zhuǎn)速段的功率平均值,對(duì)比分析相同轉(zhuǎn)速下的功率值。

        由圖5可見(jiàn),在相同轉(zhuǎn)速下,不同風(fēng)機(jī)有功功率幾乎完全一致,判斷為功率與轉(zhuǎn)速參數(shù)調(diào)整得較好,控制穩(wěn)定。

        圖5 風(fēng)機(jī)有功功率-電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線圖

        (2)分析轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩設(shè)定是否合理。剔除限功率數(shù)據(jù)后,分析風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩散點(diǎn)分布圖,查看各階段的控制策略是否穩(wěn)定及風(fēng)機(jī)的控制參數(shù)設(shè)定。

        由圖6可見(jiàn),在相同轉(zhuǎn)速下,3臺(tái)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制特性相近,#7風(fēng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速情況下轉(zhuǎn)矩分布更散,控制穩(wěn)定性較弱。根據(jù)散點(diǎn)圖所示,在額定風(fēng)速以下,扭矩變化率較低,在滿發(fā)前的過(guò)渡段,轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩散點(diǎn)離散度較大,說(shuō)明轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩匹配關(guān)系不穩(wěn)定,控制參數(shù)設(shè)置不夠合理。

        圖6 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速散點(diǎn)圖

        1.5 葉尖速比分析

        分析風(fēng)機(jī)的最佳葉尖速比追蹤控制。剔除風(fēng)機(jī)的限功率數(shù)據(jù)后,分析風(fēng)機(jī)在各個(gè)風(fēng)速下的葉尖速比散點(diǎn)圖,判斷風(fēng)機(jī)的最佳葉尖速比追蹤控制是否穩(wěn)定,不同風(fēng)機(jī)之間是否存在偏差。

        由圖7可以看出,#8風(fēng)機(jī)在5~8 m/s風(fēng)速區(qū)間內(nèi),風(fēng)速-葉尖速比數(shù)據(jù)分布較散,表明在最佳葉尖速比追蹤段存在控制不穩(wěn)定的問(wèn)題。

        圖7 風(fēng)機(jī)葉尖速比-風(fēng)速散點(diǎn)圖

        2 結(jié)論與建議

        通過(guò)以上分析,該風(fēng)場(chǎng)存在的主要問(wèn)題為:①各風(fēng)機(jī)的實(shí)際曲線均低于保證功率曲線;②除#6風(fēng)機(jī)外,其余風(fēng)機(jī)錯(cuò)風(fēng)角在2~6°或者-6~-2°區(qū)間內(nèi),偏航對(duì)風(fēng)存在一定的誤差;③#7、#8機(jī)組在1 150 kW左右就開(kāi)始變槳,存在一定程度的提前變槳;且該機(jī)型是依據(jù)風(fēng)速來(lái)作為槳距角控制的啟動(dòng)條件,影響風(fēng)機(jī)變槳控制性能;④在滿發(fā)前的過(guò)渡段,轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩散點(diǎn)離散度較大,說(shuō)明轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩匹配關(guān)系不穩(wěn)定,控制參數(shù)設(shè)置不夠合理;⑤最佳葉尖速比追蹤段存在控制不穩(wěn)定等問(wèn)題,從而導(dǎo)致該風(fēng)場(chǎng)能效偏低。針對(duì)上述問(wèn)題,提出以下建議。

        2.1 葉片零位校正

        根據(jù)能效分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)不同風(fēng)機(jī)之間的功率曲線差異較大。當(dāng)葉片零位存在偏差時(shí),影響葉片的翼型,導(dǎo)致葉片的氣動(dòng)性能下降,從而風(fēng)機(jī)吸收的風(fēng)能偏低,因此建議對(duì)各風(fēng)機(jī)開(kāi)展葉片零位校正工作。

        通過(guò)手動(dòng)變槳操作,調(diào)整葉片0位刻度線與變槳軸承0位刻度線對(duì)齊,登入控制系統(tǒng)修正葉片槳距角。

        2.2 雙PI及智能算法優(yōu)化

        目前風(fēng)機(jī)采用的控制方法是查表法,由主控程序中給定的靜態(tài)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表進(jìn)行控制。查表法較容易實(shí)現(xiàn),但控制響應(yīng)慢,控制精度較低。在風(fēng)頻變化較大時(shí),容易產(chǎn)生偏差,并引起風(fēng)機(jī)的振動(dòng)。

        雙PI控制: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控制策略,能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率最大化,使風(fēng)電機(jī)組能夠最大程度地吸收風(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。

        采用雙PI控制方法后,主控PLC軟件功率控制功能塊采用了轉(zhuǎn)矩控制和變槳控制相耦合的方式。在風(fēng)速遠(yuǎn)小于額定風(fēng)速以下時(shí),通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制以維持最佳葉尖速比,以追求最大風(fēng)能利用系數(shù);在額定風(fēng)速以上拐點(diǎn)處,如果風(fēng)速波動(dòng)很大,就要通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儤獊?lái)實(shí)現(xiàn)平滑的過(guò)渡。在額定風(fēng)速以上階段,變速和變槳控制器也是同時(shí)發(fā)揮作用,通過(guò)變速即控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,使其恒定,從而恒定功率。通過(guò)變槳來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使得其始終跟蹤轉(zhuǎn)速設(shè)置點(diǎn)。實(shí)際上,變速變槳通過(guò)簡(jiǎn)單的PI控制器(如查表法)就可以實(shí)現(xiàn),但是額定風(fēng)速以上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型的強(qiáng)烈非線性使得控制器參數(shù)選擇比較困難,需要特別設(shè)計(jì)。變速、變槳2個(gè)控制器是同時(shí)運(yùn)行的,為了使其耦合在一起,當(dāng)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)額定風(fēng)速或以下時(shí)使其中一個(gè)或另一個(gè)控制環(huán)飽和。因此,在大多數(shù)時(shí)間里還是只有一個(gè)控制器處于激活狀態(tài),但是在接近額定點(diǎn)時(shí)其可以建設(shè)性地相互作用。

        2.3 變槳控制優(yōu)化

        (1)在功率輸出環(huán)節(jié),轉(zhuǎn)矩給定中增加傳動(dòng)鏈阻尼,減小傳動(dòng)鏈震蕩;變槳角度控制環(huán)節(jié),添加非線性變槳?jiǎng)幼?,防止大陣風(fēng)時(shí)候的過(guò)速情況,延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)壽命。

        (2)風(fēng)速槳距角控制策略。多臺(tái)風(fēng)機(jī)在未到額定功率時(shí),變槳過(guò)早動(dòng)作,使風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速變大,可考慮調(diào)整控制策略,取消根據(jù)風(fēng)速大小給定槳距角的控制方法,采用雙PI進(jìn)行轉(zhuǎn)矩及槳距角的控制。

        本文通過(guò)SCADA數(shù)據(jù)詳細(xì)分析了偏航、變槳等控制性能,分析風(fēng)電機(jī)組能效偏低的原因,并給出了針對(duì)性優(yōu)化方案,實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還應(yīng)結(jié)合技改成本及效益進(jìn)行選擇。

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