摘 要：在現(xiàn)貨市場(chǎng)下，要想提高實(shí)時(shí)市場(chǎng)的收入，必須提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，尤其在小風(fēng)時(shí)期，現(xiàn)貨實(shí)時(shí)市場(chǎng)的價(jià)格較高，如果能提升風(fēng)電機(jī)組低風(fēng)速段的發(fā)電能力，就會(huì)有效提高電價(jià)。本文討論環(huán)境溫度對(duì)空氣密度的影響，提出根據(jù)環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速和偏航控制風(fēng)速閾值設(shè)定值，在偏航系統(tǒng)部件壽命和電量損耗情況下優(yōu)化偏航系統(tǒng)控制邏輯，制作專用工裝進(jìn)行偏航系統(tǒng)風(fēng)向標(biāo)校零，可保證風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速情況下充分發(fā)揮發(fā)電能力，提高高電價(jià)上網(wǎng)電量，以期取得較好收益。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)貨交易；風(fēng)電機(jī)組；低風(fēng)速；發(fā)電能力；環(huán)境溫度

中圖分類號(hào)：TM 61 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在現(xiàn)貨市場(chǎng)下，發(fā)電企業(yè)收益來(lái)源主要由中長(zhǎng)期合約收益（月度交易、旬度交易和日滾動(dòng)交易）和現(xiàn)貨市場(chǎng)收益構(gòu)成（日前市場(chǎng)收益和實(shí)時(shí)市場(chǎng)收益）。在這3種收益中，中長(zhǎng)期合約收益和日前申報(bào)收益可以通過合理地營(yíng)銷策略進(jìn)行優(yōu)化[1]，唯獨(dú)實(shí)時(shí)收入由實(shí)際發(fā)電量和實(shí)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格來(lái)決定，不能通過人為控制來(lái)提升。要想提高實(shí)時(shí)市場(chǎng)收入，必須提高自身發(fā)電量，尤其在小風(fēng)時(shí)期，由于全省風(fēng)電實(shí)際出力較小，實(shí)時(shí)現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格會(huì)因火電的競(jìng)價(jià)空間提升而升高，如果再遇光伏出力受限和火電機(jī)組自身發(fā)電性能不良的情況，現(xiàn)貨實(shí)時(shí)市場(chǎng)的價(jià)格就會(huì)非常高。數(shù)據(jù)表明，如果能在低風(fēng)速階段提升機(jī)組的發(fā)電能力，保證機(jī)組在低風(fēng)速下的發(fā)電量，就會(huì)提高收益。提高風(fēng)電機(jī)組低風(fēng)速發(fā)電能力主要可從以下4個(gè)方面推進(jìn)。

1 合理設(shè)定風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速

風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速是指風(fēng)電機(jī)組開始并網(wǎng)發(fā)電的最低風(fēng)速，聯(lián)合動(dòng)力1.5MW機(jī)組切入風(fēng)速為3m/s。風(fēng)電機(jī)組是否啟機(jī)并網(wǎng)的根據(jù)是平均風(fēng)速是否達(dá)到3m/s，但是風(fēng)所蘊(yùn)含的能量不僅與風(fēng)速相關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度差距較大時(shí)，風(fēng)能差距也較大，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率差距也較大。

1.1 環(huán)境溫度與發(fā)電功率的關(guān)系

空氣流動(dòng)具有的動(dòng)能為E=ρsv3[2]，其中ρ為空氣密度；s為氣流截面積；v為風(fēng)速。由該公式可知，風(fēng)能與空氣密度成正比，空氣密度越大，風(fēng)能越大。另外，根據(jù)葉素-動(dòng)量理論，作用在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)平面dr圓環(huán)的扭矩為dM=ρsv2 0Ctrdr[2]，其中B為葉片數(shù)；ρ為空氣密度；c為葉素剖面弦長(zhǎng)；v0為氣流合成速度；Ct為切向力系數(shù)；r為當(dāng)?shù)匕霃?。由該公式可知，作用在風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩與空氣密度成正比，空氣密度越大，作用在風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩也越高，相同風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪功率也會(huì)越大。

而在不同溫度條件下，空氣密度差距較大，如-20℃時(shí)干空氣密度為1.396kg/m3，30℃時(shí)干空氣密度為1.165kg/m3，

-20℃時(shí)干空氣密度為30℃時(shí)干空氣密度的1.2倍，而且北方地區(qū)冬夏溫差更大，冬季氣溫甚至可低至-30℃，空氣密度更大，風(fēng)能更大，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率也相對(duì)較大。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程（不考慮濕度影響時(shí)）pV=nRT[3]，其中p為壓強(qiáng)；V為氣體體積；n為氣體的物質(zhì)的量；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度（K），計(jì)算可得-30℃時(shí)干空氣密度為1.452kg/m3，約為30℃時(shí)干空氣密度的1.25倍，可見不同環(huán)境溫度下風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率相差較大。

1.2 風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速設(shè)定

由于冬季環(huán)境溫度較低，空氣密度較大，在臨近風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速的情況下，風(fēng)電機(jī)組實(shí)際已滿足并網(wǎng)發(fā)電條件，但是風(fēng)電機(jī)組只檢測(cè)到風(fēng)速小于切入風(fēng)速，未啟機(jī)并網(wǎng)，會(huì)產(chǎn)生電量損失。因此可將環(huán)境溫度列入風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)的條件，隨著環(huán)境溫度降低，風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)切入風(fēng)速也會(huì)降低[4]。

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電機(jī)組正常環(huán)境條件下空氣密度為1.225kg/m3（對(duì)應(yīng)空氣溫度約為15℃），如某類型風(fēng)電機(jī)組在環(huán)境溫度為15℃條件下的對(duì)應(yīng)切入風(fēng)速為3m/s，根據(jù)風(fēng)能公式E=1/2ρsv3，可計(jì)算該風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)能。在保證風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)時(shí)風(fēng)能相同的情況下，參照各環(huán)境溫度下的空氣密度表，計(jì)算各環(huán)境溫度應(yīng)設(shè)定的切入風(fēng)速，見表1。

1.3 程序控制邏輯升級(jí)

通過升級(jí)風(fēng)電機(jī)組主控程序，可實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)控制風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)風(fēng)速[5]，環(huán)境溫度測(cè)量可使用原風(fēng)電機(jī)組測(cè)量的環(huán)境溫度值。不同環(huán)境溫度條件下風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速設(shè)定值見表2。

根據(jù)環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速，可保證風(fēng)電機(jī)組在各環(huán)境溫度下充分發(fā)揮發(fā)電能力，提高高電價(jià)上網(wǎng)電量，還可避免由高溫小風(fēng)天氣時(shí)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)耗電量大于發(fā)電量造成的損失。

2 偏航零位校準(zhǔn)

風(fēng)電機(jī)組裝有風(fēng)向標(biāo)，可實(shí)時(shí)測(cè)量來(lái)流風(fēng)向，用于風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)計(jì)算風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)偏差，并進(jìn)行偏航對(duì)風(fēng)，以便更好地捕捉風(fēng)能，提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量。如果風(fēng)向標(biāo)初始安裝角度與機(jī)艙走向偏差較大，風(fēng)電機(jī)組始終與來(lái)流風(fēng)向存在角度偏差，就會(huì)長(zhǎng)期影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能[6]，損失發(fā)電量巨大，因此需要定期排查風(fēng)向標(biāo)安裝方向是否正確，發(fā)現(xiàn)異常即及時(shí)校正風(fēng)向標(biāo)。

風(fēng)電機(jī)組一般配置機(jī)械式風(fēng)向標(biāo)或超聲波風(fēng)向標(biāo)，安裝風(fēng)向標(biāo)時(shí)必須保證風(fēng)向標(biāo)N-S標(biāo)記線與機(jī)艙走向平行且N點(diǎn)指向機(jī)艙尾部。目前，現(xiàn)場(chǎng)人員通常通過目測(cè)來(lái)大致調(diào)整風(fēng)向標(biāo)N-S標(biāo)記線與風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙走向平行并校準(zhǔn)風(fēng)向標(biāo)，由于人工目測(cè)安裝存在較大偏差，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組始終無(wú)法正對(duì)風(fēng)發(fā)電，從而長(zhǎng)期影響風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，因此需要設(shè)計(jì)并使用便捷高效的風(fēng)向標(biāo)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行風(fēng)向標(biāo)校準(zhǔn)安裝。

本文分析了風(fēng)電機(jī)組風(fēng)向標(biāo)安裝的氣象架結(jié)構(gòu)、機(jī)艙罩機(jī)構(gòu)、風(fēng)電機(jī)組維護(hù)經(jīng)驗(yàn)以及當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)，初步研究總結(jié)出2種風(fēng)電機(jī)組風(fēng)向標(biāo)校準(zhǔn)方案，包括以氣象架為基準(zhǔn)的機(jī)械校準(zhǔn)和以機(jī)艙罩為基準(zhǔn)的激光校準(zhǔn)。

2.1 以氣象架為基準(zhǔn)的機(jī)械校準(zhǔn)

由于風(fēng)向標(biāo)安裝于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙頂部氣象架上，如果測(cè)量判斷該類氣象架基本垂直于機(jī)艙走向且氣象架橫擔(dān)端面平齊，氣象架橫擔(dān)即可作為風(fēng)向標(biāo)的校準(zhǔn)基準(zhǔn)，而且通過目測(cè)來(lái)校準(zhǔn)風(fēng)向標(biāo)N-S標(biāo)記線本質(zhì)上均以氣象架橫擔(dān)為基準(zhǔn)。

2.1.1 機(jī)械校準(zhǔn)工裝制作

機(jī)械校準(zhǔn)工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中要求校準(zhǔn)工裝各面均為平面，各角均為直角，各連接面均對(duì)齊，以保證工裝測(cè)量的準(zhǔn)確度。

2.1.2 機(jī)械校準(zhǔn)工裝使用

超聲波式風(fēng)向標(biāo)：超聲波式風(fēng)向標(biāo)頂部印有一條N-S標(biāo)記線，將機(jī)械校準(zhǔn)工裝平面貼緊氣象架橫擔(dān)端面，調(diào)整超聲波式風(fēng)向標(biāo)，使其N-S標(biāo)記線與對(duì)應(yīng)工裝端面重合后，擰緊超聲波式風(fēng)向標(biāo)底座的鎖緊螺母即可。具體校準(zhǔn)方法如圖2所示。

機(jī)械式風(fēng)向標(biāo)：由于機(jī)械式風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)、S點(diǎn)標(biāo)記在風(fēng)向標(biāo)側(cè)面，校正較困難，因此將風(fēng)向標(biāo)調(diào)節(jié)至180°方向（調(diào)試軟件內(nèi)顯示值為180°）后將尾翼固定，再使用工裝平面貼緊氣象架橫擔(dān)端面，整體調(diào)整機(jī)械式風(fēng)向標(biāo)，使風(fēng)向標(biāo)尾部與對(duì)應(yīng)工裝端面齊平，擰緊機(jī)械式風(fēng)向標(biāo)底座的鎖緊螺母即可。具體校準(zhǔn)方法如圖3所示。

2.2 以機(jī)艙罩為基準(zhǔn)的激光校準(zhǔn)

部分風(fēng)電機(jī)組氣象架與機(jī)艙走向不垂直，無(wú)法以氣象架為基準(zhǔn)校準(zhǔn)風(fēng)向標(biāo)。由于機(jī)艙罩為左、右對(duì)稱形狀，并且頂部基本有明顯標(biāo)記，可確定出機(jī)艙中心線，因此機(jī)艙罩中心線可作為校正風(fēng)向標(biāo)的基準(zhǔn)。

本文方案采用工程用戶外高精度強(qiáng)光激光儀。該激光儀具有自動(dòng)安平功能，傾斜超3°時(shí)報(bào)警，傾斜3°以內(nèi)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)至水平，所發(fā)射激光嚴(yán)格豎直向下且可發(fā)射3個(gè)相互垂直的激光面。

激光儀校準(zhǔn)方法示意圖如圖4所示?？烧{(diào)節(jié)支架將激光儀安裝于氣象架頂部，手動(dòng)調(diào)節(jié)支架，使激光儀保持水平（激光儀不報(bào)警即可自動(dòng)安平）并且使激光面3（平行于機(jī)艙走向且垂直于機(jī)艙頂部）經(jīng)過機(jī)艙罩中心線，此時(shí)激光面1（平行于機(jī)艙頂部）與機(jī)艙頂部水平，并且激光面2（垂直于機(jī)艙走向且垂直于機(jī)艙頂部）垂直于機(jī)艙走向，因此激光面2可作為風(fēng)向標(biāo)校準(zhǔn)的基準(zhǔn)。

將長(zhǎng)直角尺一邊與激光面2形成的激光線對(duì)齊，直角尺另一邊指向即為機(jī)艙走向。手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)向標(biāo)，使N-S標(biāo)記線或機(jī)械式風(fēng)向標(biāo)尾翼與直角尺另一邊對(duì)齊，此時(shí)風(fēng)向標(biāo)指向即為機(jī)艙走向，固定風(fēng)向標(biāo)底座即可。直角尺測(cè)量方法示意如圖5所示。

3 優(yōu)化偏航控制邏輯

聯(lián)合動(dòng)力1.5MW機(jī)組偏航控制邏輯如下所示。1）設(shè)定高風(fēng)速閾值7.5m/s，分為高風(fēng)速偏航和低風(fēng)速偏航，不同的風(fēng)速條件下偏航的動(dòng)作方式不同。2）高風(fēng)速下自動(dòng)偏航。60s平均風(fēng)速≥7.5m/s，觸發(fā)偏航程序的條件有以下2個(gè)。①高風(fēng)速下一級(jí)偏航動(dòng)作條件。偏航對(duì)風(fēng)60s平均偏差＞8°，延時(shí)160s，風(fēng)電機(jī)組偏航。②高風(fēng)速下二級(jí)偏航動(dòng)作條件。偏航對(duì)風(fēng)60s平均偏差＞15°，延時(shí)20s，風(fēng)電機(jī)組偏航。3）低風(fēng)速下自動(dòng)偏航。60s平均風(fēng)速＜7.5m/s，觸發(fā)偏航程序的條件有以下2個(gè)。①低風(fēng)速下一級(jí)偏航動(dòng)作條件。偏航對(duì)風(fēng)60s平均偏差＞10°，延時(shí)160s，風(fēng)電機(jī)組偏航。②低風(fēng)速下二級(jí)偏航動(dòng)作條件。偏航對(duì)風(fēng)60s平均偏差＞18°，延時(shí)25s，風(fēng)電機(jī)組偏航。

現(xiàn)針對(duì)風(fēng)電機(jī)組低風(fēng)速發(fā)電能力，需要對(duì)高風(fēng)速閾值、低風(fēng)速下偏航角度偏差以及偏航延時(shí)設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化，主要從以下2個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。

3.1 高風(fēng)速閾值設(shè)定

在不同環(huán)境溫度條件下，相同風(fēng)速的空氣動(dòng)能不同，因此偏航控制中高風(fēng)速閾值應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。如聯(lián)合動(dòng)力1.5MW機(jī)組偏航控制高風(fēng)速閾值設(shè)定值為7.5m/s，計(jì)算出的不同環(huán)境溫度下高風(fēng)速閾值見表3。

通過升級(jí)風(fēng)電機(jī)組主控程序，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)控制風(fēng)電機(jī)組偏航控制中高風(fēng)速閾值。不同環(huán)境溫度范圍下風(fēng)電機(jī)組偏航控制高風(fēng)速閾值設(shè)定值見表4。

3.2 優(yōu)化偏航控制邏輯

本文對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航控制中偏航角度偏差、偏航延時(shí)、高風(fēng)速閾值設(shè)定值進(jìn)行了優(yōu)化。首先，風(fēng)速閾值設(shè)定值可分級(jí)設(shè)定，分為高風(fēng)速閾值、中風(fēng)速閾值和低風(fēng)速閾值，如設(shè)定值分別取高風(fēng)速閾值（9m/s）、中風(fēng)速閾值（6m/s）、低風(fēng)速閾值（4m/s），在不同風(fēng)速條件下，采取不同的偏航動(dòng)作方式。其次，各風(fēng)速閾值下自動(dòng)偏航控制可由原兩級(jí)控制邏輯優(yōu)化為多級(jí)控制邏輯，例如低風(fēng)速閾值下自動(dòng)偏航控制條件如下所示。1）低風(fēng)速下一級(jí)偏航動(dòng)作條件。偏航對(duì)風(fēng)60s平均偏差＞10°，延時(shí)160s，風(fēng)電機(jī)組偏航。2）低風(fēng)速下二級(jí)偏航動(dòng)作條件。偏航對(duì)風(fēng)60s平均偏差＞13°，延時(shí)120s，風(fēng)電機(jī)組偏航。3）低風(fēng)速下三級(jí)偏航動(dòng)作條件。偏航對(duì)風(fēng)60s平均偏差＞15°，延時(shí)80s，風(fēng)電機(jī)組偏航。4）低風(fēng)速下四級(jí)偏航動(dòng)作條件。偏航對(duì)風(fēng)60s平均偏差＞18°，延時(shí)25s，風(fēng)電機(jī)組偏航。

將偏航角度偏差、偏航延時(shí)和高風(fēng)速閾值設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到精細(xì)化控制的目的，提高風(fēng)電機(jī)組低風(fēng)速發(fā)電能力。需要注意的是，將偏航角度偏差、偏航延時(shí)設(shè)定值調(diào)小后，風(fēng)電機(jī)組將會(huì)更頻繁地進(jìn)行偏航對(duì)風(fēng)，發(fā)電量將小幅增加。由于偏航系統(tǒng)動(dòng)作頻繁，增加了偏航動(dòng)作電量損耗，同時(shí)縮短了偏航電氣回路、偏航大部件壽命，因此需要結(jié)合偏航系統(tǒng)壽命影響情況和電量損耗情況進(jìn)行評(píng)估和分析。

4 變槳零位校準(zhǔn)

為了使風(fēng)電機(jī)組能安全穩(wěn)定、最大效率地吸收風(fēng)能，需要定期校正葉片槳距角。由于槳葉標(biāo)尺一般在葉根外部，空間狹小，人員觀察校正零位操作很不方便，因此通常在外部校正零位后，在葉根內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)記，方便每年進(jìn)行葉片校零檢查維護(hù)工作。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速和偏航控制風(fēng)速閾值設(shè)定值，評(píng)估偏航系統(tǒng)部件壽命，在電量損耗情況下優(yōu)化偏航系統(tǒng)控制邏輯，并做好偏航系統(tǒng)風(fēng)向標(biāo)校零和變槳槳葉校零維護(hù)工作等措施，可使風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速情況下充分發(fā)揮發(fā)電能力，提高高電價(jià)上網(wǎng)電量，取得較好收益。

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