风力发电机组二次开发_张文宝.pdf

/风力发电机组二次开发张文宝马建兵王子腾（.河北华电冀北新能源有限公司.华锐风电科技（集团）股份有限公司）摘要：我国风电行业经过十多年的快速发展，在国内成为继煤电、水电之后的第三大能源 。过去十多年间，我国风电产业总体呈现稳步有序的发展态势，现有存量风电并网装机近 亿 ，累计风电机组超 万台，并网装机总容量已居于世界之首。根据数据显示，现阶段国内机组容量为 .及以下存量风电机组装机近 万 ，数量超 台。这些机组大部分位于风资源优异地区，但受风电行业发展初期技术条件限制，其存在机型选择空间小、风电场可研和微观选址及载荷评估较为粗糙等问题，导致机组选型存在偏差，造成部件安全余量极大浪费。针对早期机组发电能力偏低情况，以保障机组运行安全为基础，通过更换长叶片方式增加叶轮扫风面积达到提升机组吸收风能的目的，在一定程度上加强了机组发电能力。关键词：风力发电；.机组；长叶片；发电能力 引言叶片是风电机组吸收风能的关键部件，通过对叶片进行技术改造能迅速达到提高发电量的目的。国外较成熟的技术改造方法也是叶片加长和加装增功组件，国内技改市场前几年也迅速跟进并进行样机实施。该技术通常在单机 .及以下风机上进行。年德国 公司在 （丹麦著名风机厂商，年被西门子收购）.（叶轮直径 ）进行叶片加长 的尝试下改造。年 -公司在 .（叶轮直径 ）进行加长改造，经测试发电量有明显提高，并通过德国风能研究所（-）的认证。德国西门子公司是最早研发并应用叶片增功组件的风电公司，包括后掠翼锯齿、前缘襟翼和涡流发生器，这些技术在风机应用长达 年，其中加装涡流发生器增功效果最明显，可以提高发电量 左右，并在风速不稳定的情况下能有效降低叶片载荷。国内在这几年中也有不少样机进行叶片局部延长改造，但总体增加发电量不大，并且有延长后叶尖颤振、脱落等不良影响，所以该技术并未在后市场机组升级技改中大量推广。而国内厂家逐步将机组增功提效聚焦到机组的长叶片改造中。国内中铝宁夏能源集团有限公司在 年提出对自有风电场 的机组进行长叶片升级，用 .叶轮直径的叶片（.）来替代原有 叶轮直径，并同步提出优化电控系统匹配叶轮升级，以此来有效提高发电量。由于早期 .机组存在设计粗糙、机组扫风面积较小、控制技术落后等问题，在一定程度上造成了发电量的损失。在保障机组安全的前提下，通过增加机组叶轮扫风面积将带来一定的发电能力提升效果，增加风场的经济效益，这将为早期 .机组注入强劲动力。二次开发方案.理论基础目前风力发电后市场主流的 .机组二次开发方案主要包括 叶片更换 叶片、叶片更换 叶片、叶片更换 叶片。上述三种二次开发方案均是通过更换长叶片，增加原风轮的捕风面积，提高低风速时段下机组的发电功率，从而提高机组的年发电量。相比叶尖加长、加装涡流发生器等其他增功方式，更换长叶片的增功效果更加显著，同时易于进行安全性评估和控制策略调整。（）式中，为空气密度；为风速；为扫风面积；为风能利用效率。电气技术与经济 研究与开发 /由式（）可知，对于特定风电场来说，其空气密度、风速等环境因素是不可人为改变的。在设计叶片更换技改方案时，需根据实际风场风资源及机组整体健康状态来进行定制化设计，在保证机组安全性的前提下实现电量提升的目的。.载荷评估风电机组载荷评估是机组安全评估的关键步骤之一。载荷计算主要依据风资源评估参数作为输入参数，采用优化后的降载控制策略，根据标准规范进行仿真工况定义，计算得出当前机组的各关键部件载荷并进行后处理对比分析，确定机组的计算载荷满足设计要求。输出叶片、轮毂、变桨、偏航、塔筒、基础等部件的对应载荷用于结构强度校核。针对三种主流二次开发方案，对其做载荷评估，整体评估结果如图 、图 所示。图 叶根载荷与设计载荷对比图 塔底载荷与设计载荷对比电气技术与经济 研究与开发/通过上述对比，常规二次开发机组载荷均满足升级要求，可有效确保机组的安全运行。.施工方案施工方案主要包括叶片升级、主控程序定制化升级、变桨系统升级三方面。以某现场实施的 改 机组为例进行介绍。.叶片升级叶片升级即为将原有的 叶片升级更换为 叶片，增加机组扫风面积。进行叶片升级前需确定，原有的叶片根部物理接口和待替换的叶片根部物理接口是否一致。若物理接口一致则具备方案升级改造基础。.主控程序定制化实施主控程序定制化设计主要目的为：使用监督学习，大数据分析等方法，把风电机组大量的运行数据和外部获取的信息，对外部的环境、风机的运行状态以及其他参数特征，生成机组画像，对风机及其部件的性能进行测评和输出相应的控制策略，使风机实现自动调节运行策略和适应不同的外部条件变化，使风机具有自我进化的能力，不断地依据自身的状态与外部环境进行智能降载调节，以提升机组的稳定性、发电能力。基于实际风场机组模型进行仿真和验证，结合风场级大数据的分析与建模，设置主控程序，定制化设计优化，依据二次设计叶片的气动性能，调整机组起机、并网、脱网等相关逻辑，设置最优叶尖速比转矩控制，保障二次设计机组实现最优功率输出，显著提升机组发电能力。.变桨系统升级变桨系统的安全可靠直接关系机组安全，原有变桨逻辑不能识别并处理叶片轴承老化导致的卡桨问题，不能解决变桨系统过载不可复位故障问题，不能实时监测变桨力矩状况更快地发现变桨关键故障，无法充分保证机组的安全。针对上述问题，在匹配变桨变频器、变桨电机参数的基础上，新增变桨调节系统定制化设计，在保证机组安全的同时，提升机组可利用小时数，提升机组发电量。搭载与变桨变频器、变桨电机参数相匹配的变桨程序与主控程序，程序在匹配硬件的同时，新增变桨安全性控制策略，能够更好地保证机组的安全，具体如下：（）新增灵敏度选择功能通过塔基面板对变桨力矩灵敏度进行选型，此功能能够对机组变桨系统现状进行提前识别，同时添加小力矩报警功能，能够通过报警频率推断叶片轴承等硬件运行状况，使现场能够更精准地发现需要维护的机组，而不是全场盲目统一维护。（）新增变桨过载保护功能当 检测到变桨变频器严重驱动过载时间太长时，将会提前识别出来，并优化执行策略，使机组能正常顺桨，防止飞车情况的产生，保证机组正常运行。效果评估以某现场风力发电机组完成的 改 技改方案为例，效果评估分为两部分，分别为数据提取、效果对比。.数据提取选取 技改前后各六个月十分钟数据绘制风速功率曲线，提取长时间运行数据可充分体现机组更换叶片效果。.效果对比.功率散点对比该机组技改前后的风速功率散点图如图 、图 所示。图 技改前风速 功率散点图电气技术与经济 研究与开发 /图 技改后风速 功率散点图从上述两张功率散点图可明显看出，机组技改后功率曲线明显前移。风力发电机组在低风速段对风能的吸收利用率明显提升。.功率曲线对比（）技改前后各风速段功率技改前后各风速段功率如表 所示。表 机组技改前后各风速段功率风速（）功率（）技改前 技改后 .（续）风速（）功率（）技改前 技改后 .技改前后功率曲线如图 所示。图 机组技改前后功率曲线对比（）折算年发电量根据功率曲线与风频分布，计算技改前后机组的折算年发电量（）。根据运行数据统计，现场年平均风速为 ，技改后 机组折算年发电量提高了 .。现场年平均风速在 区间，技改后 提高如表 所示。表 机组技改前后年发电量对比年平均风速（）技改前 （）技改后 （）技改前后 比值（）.电气技术与经济 研究与开发/（续）年平均风速（）技改前 （）技改后 （）技改前后 比值（）.小结在保障机组载荷安全和运行安全的前提下，通过更换较长叶片，实现增加叶轮扫风面积，提高了机组在低风速段对风能的吸收利用率，在一定程度上提高机组的发电性能。结束语早期风力发电机组多位于优质风资源点位，且初期机组存在风力发电技术相对粗糙、叶片气动性能欠缺等问题。这造成严重的风资源浪费，风场经济效益受损。通过对 .机组进行载荷评估发现，更换长叶片后机组仍满足机组运行安全载荷要求且存在一定余量，可有效保障稳定运行。以某现场机组实施的 更换 技改方案为例，通过增加叶片扫风面积的方法，机组的发电能力提升 .。通过二次开发方式，不仅实现了风力机组在低风速情况发电性能提升，也为风场带来可观的经济效益。参考文献 叶舟，郝文星，丁勤卫，等.不同工况下风力机翼型襟 翼 气 动 特 性 分 析 太 阳 能 学 报，（）陈兆圣，辛理夫，刘志，等.风电机组二次开发及智能传感器的应用 第八届中国风电后市场交流合作大会论文集，.杨朋飞，韩烨，辛理夫，等.针对老旧风场机组二次开发的叶片设计及应用 第八届中国风电后市场交流合作大会论文集，.孙元章，吴俊，李国杰.风力发电对电力系统的影响 电网技术，（）：-.叶舟，郝文星，丁勤卫，等.不同工况下风力机翼型襟 翼 气 动 特 性 分 析 太 阳 能 学 报，（）（收稿日期：2 0 2 2-1 1-0 8）（上接第 页）刘毅，谭国俊，何晓群.优化电池模型的自适应 卡尔曼荷电状态估算 电工技术学报，（）：.，.-，（）：-.，.-，（）：-.，.-，：.陈息坤，孙冬，陈小虎.锂离子电池建模及其荷电状态 鲁 棒 估 计 电 工 技 术 学 报，（）：-.，.-，（）：-.，.-，（）：-.李天成，范红旗，孙树栋.粒子滤波理论、方法及其在多目标跟踪中的应用 自动化 学报，（）：-.，.-，（）：-.林成涛，仇斌，陈全世.电动汽车电池非线性等效电路模型的研究 汽车工程，（）：-，.熊瑞，何洪文，丁银.用锂离子电池动态模型参数辨识方法研究 电力电子技术，（）：-.周娟，孙啸，刘凯，等.联合扩展卡尔曼滤波的滑模观测器 估算算法研究 中国电机工程学报，（）：.张天泽，李元香，项正龙，等.基于 的粒子群优化算法 计算机工程与设计，（）：.（收稿日期：2 0 2 2-1 0-2 8）电气技术与经济 研究与开发