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。