[摘 要]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為風(fēng)力發(fā)電的核心設(shè)備，其性能的好壞直接關(guān)系到整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。因此，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行性能分析與評價，對于提高發(fā)電效率、降低成本、推動風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。文章從軟硬件兩個方面對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行性能分析與評價，并提出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)化路徑，為進(jìn)一步提升風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；性能；軟件；硬件

[中圖分類號]TM315 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0077–03

Performance Analysis and Evaluation of Wind Turbines

WANG Zhijian，ZHAO Guozhong，WANG Zhengren

[Abstract]As the core equipment of wind power generation， the performance of wind turbines directly affects the efficiency and stability of the entire wind power generation system. Therefore， performance analysis and evaluation of wind turbines are of great significance for improving power generation efficiency， reducing costs， and promoting the sustainable development of the wind power industry. The article analyzes and evaluates the performance of wind turbines from both software and hardware aspects， and proposes an optimization path for wind turbine performance， laying a solid foundation for further improving the quality of wind power generation.

[Keywords]wind turbine； performance； software； hardware

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能分析與評價方式

1.1 機(jī)組軟件性能分析與評價

在同一風(fēng)電場環(huán)境下，對比同型號機(jī)組在相同工況下的功率曲線散點(diǎn)圖，是一項(xiàng)重要的性能分析工作，通過圖1可看出，盡管這些機(jī)組采用了相同的功率曲線模型，但不同風(fēng)機(jī)所展現(xiàn)出的功率曲線卻存在顯著差異，這種差異反映了機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中的性能表現(xiàn)。

以某風(fēng)電場的1號和2號風(fēng)機(jī)為例，這兩臺風(fēng)機(jī)在相同的工況和功率曲線模型下運(yùn)行，但它們的功率曲線卻呈現(xiàn)出明顯的不同。2號風(fēng)機(jī)的功率曲線明顯靠下，這意味著在相同的風(fēng)速和工況下，2號風(fēng)機(jī)的發(fā)電能力低于1號風(fēng)機(jī)。這種差異可能源于多種因素，如風(fēng)機(jī)葉片的磨損程度、齒輪箱的傳動效率、發(fā)電機(jī)的性能等。通過對這些差異進(jìn)行分析，可以找出影響機(jī)組性能的關(guān)鍵因素，進(jìn)而制訂針對性的優(yōu)化措施。例如，對于2號風(fēng)機(jī)，可以考慮更換磨損嚴(yán)重的葉片，優(yōu)化齒輪箱的傳動效率，或者對發(fā)電機(jī)進(jìn)行維護(hù)和升級，提高機(jī)組的發(fā)電能力，提升整個風(fēng)電場的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中的發(fā)電功率與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩之間存在著密不可分的關(guān)系，這一關(guān)系遵循著物理定律：P=Tn/9550。式中，P為功率，kW；n為轉(zhuǎn)速，r/min；T為轉(zhuǎn)矩，Nm；9550為該計算過程中的固定系數(shù)。

通過深入分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常的機(jī)組。以某風(fēng)電場的1號和2號風(fēng)機(jī)為例，在同等條件下對兩臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，它們的轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)存在明顯不同（圖2），這種差異不僅體現(xiàn)在數(shù)值上，還可能表現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩變化的趨勢和穩(wěn)定性等方面。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，可以進(jìn)一步判斷機(jī)組是否存在故障或性能下降等問題，一旦發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)或優(yōu)化，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和高效發(fā)電。

在風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過測風(fēng)裝置精準(zhǔn)采集風(fēng)速與風(fēng)向信息，然后借助偏航系統(tǒng)靈活調(diào)整對風(fēng)角度，確保葉輪能夠正對來風(fēng)方向，最大化地采集風(fēng)能，提高發(fā)電效率。因此，定期對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行對風(fēng)偏差的排查，可以及時發(fā)現(xiàn)機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的對風(fēng)偏差問題（圖3），并進(jìn)一步分析產(chǎn)生偏差的原因，這些原因可能涉及機(jī)械部件的磨損、控制系統(tǒng)的故障、傳感器的精度下降等方面，深入剖析這些原因，有針對性地制訂調(diào)整措施，可改善機(jī)組的發(fā)電能力，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量。

在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電管理中，借助風(fēng)機(jī)SCADA平臺，可以更加便捷地進(jìn)行機(jī)組風(fēng)速和偏航對風(fēng)角度散點(diǎn)圖的排查工作，該平臺能夠?qū)崟r獲取機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，繪制出直觀的散點(diǎn)圖，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制策略是否存在異常，提高排查工作效率的同時，還為優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能提供了有力的數(shù)據(jù)支持[1]。

1.2 機(jī)組硬件分析與評價

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙頂部安裝有風(fēng)速風(fēng)向儀，該裝置負(fù)責(zé)實(shí)時跟蹤風(fēng)速和風(fēng)向的變化，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時，風(fēng)速風(fēng)向儀會將信號傳遞給偏航系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)則會根據(jù)這些信息調(diào)整對風(fēng)角度，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于最佳的迎風(fēng)角度。同時，變槳驅(qū)動裝置也會根據(jù)風(fēng)速的變化，帶動變槳軸承轉(zhuǎn)動，使葉片保持最佳的迎風(fēng)狀態(tài)，最大限度提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，有時會出現(xiàn)發(fā)電效能異常的情況，需要檢查風(fēng)向標(biāo)的零刻度是否對正機(jī)艙正前方，這是因?yàn)轱L(fēng)向標(biāo)的準(zhǔn)確性直接影響到偏航系統(tǒng)的調(diào)整精度?？梢栽陲L(fēng)速達(dá)到10 m/s以上時，轉(zhuǎn)動風(fēng)向標(biāo)到不同的角度位置（如90°、180°、270°、360°），然后對比機(jī)組SCADA系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)是否與機(jī)艙的實(shí)際位置一致，如果發(fā)現(xiàn)一致性較差，需要及時更換測風(fēng)裝置。

此外，葉片的安裝角度和零位角度也是影響發(fā)電效能的重要因素，通過檢查風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)顯示的葉片位置與實(shí)際葉片位置是否一致，判斷是否存在偏差。當(dāng)系統(tǒng)顯示葉片位置為零度時，需要仔細(xì)檢查3支葉片的零度位置標(biāo)記和輪轂上的零度位置標(biāo)記是否存在偏差，如果存在偏差，應(yīng)及時調(diào)整葉片的安裝角度和零位角度，確保風(fēng)機(jī)處于最佳的發(fā)電狀態(tài)[2]。不同切入風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)化效果見表1。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)化路徑

2.1 額定功率提升優(yōu)化

氣動設(shè)計是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能的核心因素，直接決定了機(jī)組捕捉風(fēng)能的能力和效率，因此，對氣動設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，可以有效提升機(jī)組的額定功率。應(yīng)通過優(yōu)化葉片形狀、調(diào)整葉片長度和寬度比例、改善葉片表面的粗糙度等方式，減少氣流在葉片表面的阻力，提高氣流通過葉片時的效率，這樣可以增加機(jī)組捕捉風(fēng)能的能力，提高機(jī)組的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。還可以通過增加機(jī)組的高度、優(yōu)化塔筒設(shè)計等方式，減少風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對機(jī)組性能的影響，提升額定功率[3]。

通過應(yīng)用先進(jìn)的控制算法和智能技術(shù)，也可提升額定功率。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，應(yīng)用這些先進(jìn)的控制算法和智能技術(shù)，可以對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和預(yù)測，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境因素的變化，自動調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，使機(jī)組始終處于最佳的工作狀態(tài)。例如，通過智能算法對機(jī)組的偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化控制，使機(jī)組能夠更準(zhǔn)確地跟蹤風(fēng)速和風(fēng)向的變化，提高風(fēng)能利用率和發(fā)電效率。還可以利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)潛在的故障和性能瓶頸，為機(jī)組的優(yōu)化升級提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2.2 運(yùn)行轉(zhuǎn)矩優(yōu)化

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略通?；诠潭ǖ膮?shù)和模型，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境。而智能控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，能夠根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)和環(huán)境變化自適應(yīng)地調(diào)整控制參數(shù)，更精確地控制運(yùn)行轉(zhuǎn)矩。例如，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可以建立一個能夠準(zhǔn)確預(yù)測和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的模型，這樣，即使在風(fēng)速突變或風(fēng)向改變的情況下，機(jī)組也能迅速作出反應(yīng)，保持最佳的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，提高發(fā)電效率。

通過優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)和材料，也可以提升運(yùn)行轉(zhuǎn)矩。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩輸出與其結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇密切相關(guān)，改進(jìn)機(jī)組結(jié)構(gòu)，如優(yōu)化葉片形狀、減輕機(jī)組重量等，可以減少運(yùn)行過程中的機(jī)械摩擦和能量損失，提高轉(zhuǎn)矩輸出。同時，選用高強(qiáng)度、輕量化的材料制造機(jī)組部件，也可以減少機(jī)組自身的重量和阻力，進(jìn)一步提高運(yùn)行轉(zhuǎn)矩。還可以考慮采用新型傳動系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)技術(shù)，如直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)等，更加高效地轉(zhuǎn)換風(fēng)能為電能，提升機(jī)組的整體性能。

2.3 捕風(fēng)能力優(yōu)化

空氣動力學(xué)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，通過優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的氣動性能，可以有效提升其捕風(fēng)能力。應(yīng)通過改進(jìn)葉片的氣動布局，如采用更加流線型的葉片形狀，減少氣流在葉片表面的阻力，增加葉片捕獲風(fēng)能的能力。還可以對機(jī)組的塔筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，降低塔影效應(yīng)對機(jī)組性能的影響，提升機(jī)組的捕風(fēng)能力，還能在一定程度上減少機(jī)組的噪聲和振動，提高運(yùn)行穩(wěn)定性。風(fēng)電場布局對機(jī)組的捕風(fēng)能力具有重要影響，合理的布局能夠使機(jī)組充分利用風(fēng)場資源，提升整體發(fā)電效率。應(yīng)引入智能化技術(shù)，對風(fēng)電場內(nèi)的機(jī)組進(jìn)行協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組之間的互補(bǔ)與協(xié)調(diào)。例如，在風(fēng)速和風(fēng)向變化較大的情況下，通過智能算法調(diào)整各機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，使它們更好地適應(yīng)風(fēng)電場條件，提高捕風(fēng)效率。還可以利用大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)能分布進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和預(yù)測，為機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 硬件優(yōu)化

發(fā)電機(jī)的性能直接決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。采用具有更高轉(zhuǎn)換效率和更低損耗的新型發(fā)電機(jī)技術(shù)，如永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)，可以顯著提高機(jī)組的發(fā)電能力。同時，軸承作為機(jī)組中承受高載荷和高轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵部件，其性能穩(wěn)定性也直接影響著機(jī)組的運(yùn)行效率，采用高強(qiáng)度、耐磨損的新型軸承材料，可以有效減少軸承的故障率，提高機(jī)組的運(yùn)行可靠性。傳感器是獲取機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境信息的關(guān)鍵設(shè)備，通過引入更加精準(zhǔn)和靈敏的新型傳感器，如光纖傳感器和激光測距傳感器，可實(shí)時監(jiān)測機(jī)組的振動、溫度、風(fēng)速等關(guān)鍵參數(shù)，為機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。同時，結(jié)合先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以對機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、分析和處理，及時發(fā)現(xiàn)潛在故障和性能瓶頸，為機(jī)組的預(yù)防性維護(hù)和性能優(yōu)化提供有力保障。

3 結(jié)束語

雖然風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有較大的潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，而文章提出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)化路徑可顯著提升風(fēng)力發(fā)電效率。未來，需要進(jìn)一步深入研究和技術(shù)創(chuàng)新，不斷提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率和可靠性，促進(jìn)其更廣泛、更持久地應(yīng)用于能源生產(chǎn)領(lǐng)域。

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