劉保松，張 偉，張樂平，許新瑞

（華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030）

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

1 風電機組能效分析

1.1 風電機組功率曲線分析

將SCADA秒級數據的風速、功率，計篩除異常數據后，采用標準GB/T 18451.2—2021《風力發(fā)電機組功率特性測試》中的方法，將風速按1 m/s劃分區(qū)間，根據下式對每一風速區(qū)間的風速平均值和輸出功率平均值。

式中：Vi為第i個區(qū)間的平均風速，m/s；Vn，i，j為第i個區(qū)間內第j個數組的風速，m/s；Pi為第i個區(qū)間的平均功率，kW；Pn，i，j為第i個區(qū)間內第j個數組的功率，kW；Ni為第i個區(qū)間內10 min平均數據的數組個數。

根據風場提供的8臺風電機的SCADA歷史運行數據等資料，對風電機組運行數據進行信息挖掘和處理，根據合同及相關標準，對風電機組功率曲線一致性進行分析。

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

圖1 各風機功率曲線

1.2 偏航性能分析

以風向與機艙位置的夾角——錯風角為評估風電機組偏航性能的指標。通過對錯風角-功率圖的對比分析，可以對全場風電機組偏航性能評估。將各風機正常并網狀態(tài)下進行錯風角分區(qū)間，為-14～-10°、-10～-6°、-6～-2°、-2～2°、2～6°、6～10°及10～14°，求取各錯風角區(qū)間的功率平均值，其中錯風角為0°表示正對風，此時功率平均值高于其他錯風角區(qū)間功率平均值，表示風機的對風效果好。

從圖2中可以發(fā)現，無論調整前后，均有部分機組的平均功率最高值未落在-2～2°區(qū)間內。風機在2～6°或者-6～-2°區(qū)間內，偏航對風有一定的誤差。

圖2 各機組功率與錯風角趨勢圖

1.3 變槳性能分析

1.3.1 分析風機是否存在提前變槳情況

選取本風場功率曲線一致性較好#4風機與功率曲線一致性較差的#7、#8風機進行以下分析。通過對機組SCADA數據進行處理，得到相應功率-槳距角變化圖，分析風機是否存在提前變槳、3支槳葉是否同步等問題，從而對風電機組變槳性能進行評估。

由圖3可見，#7、#8風機在1 150 kW左右就開始變槳，存在一定程度的提前變槳，可能對機組出力造成影響。進一步分析風速-槳距角，對比機組相同風速下的平均槳距角，分析機組是否通過風速來控制變槳。

圖3 風機槳距角-功率曲線圖

1.3.2 分析風機是否存在槳距角不一致情況

分析#7風機槳距角隨時間變化情況，對風機的3個槳距角隨時間變化趨勢作圖。

由圖4可知，3個槳距角隨時間變化時完全重合，認為#7機組槳距角之間不存在偏差。

圖4 #7風機槳距角-時間曲線圖

1.4 控制參數分析

（1）分析風機轉速-功率設定是否合理。剔除機組的限功率數據后，計算各轉速段的功率平均值，對比分析相同轉速下的功率值。

由圖5可見，在相同轉速下，不同風機有功功率幾乎完全一致，判斷為功率與轉速參數調整得較好，控制穩(wěn)定。

圖5 風機有功功率-電機轉速曲線圖

（2）分析轉速-轉矩設定是否合理。剔除限功率數據后，分析風機的轉速-轉矩散點分布圖，查看各階段的控制策略是否穩(wěn)定及風機的控制參數設定。

由圖6可見，在相同轉速下，3臺風機轉速-轉矩控制特性相近，#7風機在高轉速情況下轉矩分布更散，控制穩(wěn)定性較弱。根據散點圖所示，在額定風速以下，扭矩變化率較低，在滿發(fā)前的過渡段，轉速-轉矩散點離散度較大，說明轉速-轉矩匹配關系不穩(wěn)定，控制參數設置不夠合理。

圖6 風機轉矩-轉速散點圖

1.5 葉尖速比分析

分析風機的最佳葉尖速比追蹤控制。剔除風機的限功率數據后，分析風機在各個風速下的葉尖速比散點圖，判斷風機的最佳葉尖速比追蹤控制是否穩(wěn)定，不同風機之間是否存在偏差。

由圖7可以看出，#8風機在5～8 m/s風速區(qū)間內，風速-葉尖速比數據分布較散，表明在最佳葉尖速比追蹤段存在控制不穩(wěn)定的問題。

圖7 風機葉尖速比-風速散點圖

2 結論與建議

通過以上分析，該風場存在的主要問題為：①各風機的實際曲線均低于保證功率曲線；②除#6風機外，其余風機錯風角在2～6°或者-6～-2°區(qū)間內，偏航對風存在一定的誤差；③#7、#8機組在1 150 kW左右就開始變槳，存在一定程度的提前變槳；且該機型是依據風速來作為槳距角控制的啟動條件，影響風機變槳控制性能；④在滿發(fā)前的過渡段，轉速-轉矩散點離散度較大，說明轉速-轉矩匹配關系不穩(wěn)定，控制參數設置不夠合理；⑤最佳葉尖速比追蹤段存在控制不穩(wěn)定等問題，從而導致該風場能效偏低。針對上述問題，提出以下建議。

2.1 葉片零位校正

根據能效分析結果，發(fā)現不同風機之間的功率曲線差異較大。當葉片零位存在偏差時，影響葉片的翼型，導致葉片的氣動性能下降，從而風機吸收的風能偏低，因此建議對各風機開展葉片零位校正工作。

通過手動變槳操作，調整葉片0位刻度線與變槳軸承0位刻度線對齊，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

目前風機采用的控制方法是查表法，由主控程序中給定的靜態(tài)轉速-轉矩表進行控制。查表法較容易實現，但控制響應慢，控制精度較低。在風頻變化較大時，容易產生偏差，并引起風機的振動。

雙PI控制：在并網轉速和額定轉速附近采用PI控制，并網轉速和額定轉速之間采用跟蹤最佳尖速比控制的控制策略，能夠實現風能的轉換效率最大化，使風電機組能夠最大程度地吸收風能，從而優(yōu)化風機的功率曲線和提升風機的發(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矩控制和變槳控制相耦合的方式。在風速遠小于額定風速以下時，通過轉矩控制以維持最佳葉尖速比，以追求最大風能利用系數；在額定風速以上拐點處，如果風速波動很大，就要通過適當的變槳來實現平滑的過渡。在額定風速以上階段，變速和變槳控制器也是同時發(fā)揮作用，通過變速即控制發(fā)電機的轉矩，使其恒定，從而恒定功率。通過變槳來調整發(fā)電機的轉速，使得其始終跟蹤轉速設置點。實際上，變速變槳通過簡單的PI控制器（如查表法）就可以實現，但是額定風速以上風機系統(tǒng)模型的強烈非線性使得控制器參數選擇比較困難，需要特別設計。變速、變槳2個控制器是同時運行的，為了使其耦合在一起，當在遠遠超過額定風速或以下時使其中一個或另一個控制環(huán)飽和。因此，在大多數時間里還是只有一個控制器處于激活狀態(tài)，但是在接近額定點時其可以建設性地相互作用。

2.3 變槳控制優(yōu)化

（1）在功率輸出環(huán)節(jié)，轉矩給定中增加傳動鏈阻尼，減小傳動鏈震蕩；變槳角度控制環(huán)節(jié)，添加非線性變槳動作，防止大陣風時候的過速情況，延長風機壽命。

（2）風速槳距角控制策略。多臺風機在未到額定功率時，變槳過早動作，使風機額定風速變大，可考慮調整控制策略，取消根據風速大小給定槳距角的控制方法，采用雙PI進行轉矩及槳距角的控制。

本文通過SCADA數據詳細分析了偏航、變槳等控制性能，分析風電機組能效偏低的原因，并給出了針對性優(yōu)化方案，實際應用過程中還應結合技改成本及效益進行選擇。