风电场发电量提升思路探讨

风电场发电量提升思路探讨

风能资源利用描述,风能利用原理课程设计,海水淡化如何利用风能　　中国风电经过数十年的高速发展已逐步度过青春期向成熟能源迈进。在如今的技术条件和政策条件已相对完善的情况下“平价时代”如期而至，风电场的经营利润进一步压缩。在此政策背景下，提升发电量、保障风电场的经济效益成了各风场业主最为关心的话题，也是支撑整个风电产业实现健康可持续发展的重要着力点。

　　风能资源利用描述,风能利用原理课程设计,海水淡化如何利用风能根据空气动力学原理和机组的结构组成，风机的输出功率为P=0.5V3ρACph，式中V为风速，ρ为空气密度，A为风轮扫风面积，Cp为风能转化效率，h为机组相关部件的工作效率。可看出，想要提升机组发电量可从风资源、空气密度、风轮扫风面积、风能转化效率、机组大部件的效率几个方面考虑。

　　改善单个机组的风资源状况。风电场改善单个机组的风资源状况主要有“移机”和“加高塔筒”两种方式。其中“移机”属于较大的改造动作，这往往是前期选址工作出现了失误导致。在了解了项目基本情况后，首先要确定该项目是否有移机的必要，即：移机是弥补损失还是扩大损失，因为一旦移机方案确定，将涉及风机和箱变拆装工程及土建工程、集电线路工程、采购基础环等一系列工作。而“加高塔筒”也需谨慎考虑，比较适合风切变较大的风场，但也要重新验证载荷和经济性。

　　改善整场的风资源状况。通过整场风资源的合理调配和扇区管理，减少机组间尾流的影响，牺牲个别机组的出力情况，可使整场发电性能最优。

　　风场空气密度的利用优化，即对机组控制逻辑中的最优增益模态值Kopt调节优化。当前实际运行的机组基本上都用发电机转速或风轮转速，通过一定的控制策略和控制算法计算出最佳的转矩，然后给定转矩来实现机组最大风能的转换。

　　转矩计算公式为，式中V为风速、λ为叶尖速比、Wg为发电机转速、R为风轮半径、G为齿轮箱传动比、P为功率、Cp为风能转化效率、ρ为空气密度、Qd为发电机转矩设定值。其中即为最优模态增益Kopt，而最佳输出功率P=Qd×Wg。由公式可看出Kopt与空气密度关系密切。但目前在多数机组的控制算法中所采用的空气密度为定值，而机组的空气密度是时时在变化的，这样就会导致转矩最优给定存在一定的偏差，影响发电效果。

　　针对以上情况，可采集机组环境的气象数据，将所得到的实时空气密度引入控制算法中优化控制，达到最佳转矩给定的目的，可进一步提高机组出力。同，根据夏冬季不同的空气密度进行控制策略的季节性调整，也可达到机组的精细化控制，提升发电效率[1]。

　　国内早期建设的风电场往往都处于风资源最优质的区域，由于当初由于技术条件的限制，这些风场所选用的机组叶片在现在看来都偏小、捕风能力较差，导致这些区域优质风资源并没有得到充分的利用。为了让这些小叶片机组能重新发挥更大价值，加长叶片、增大扫风面积来提升发电量无疑是最为直接的方式。

　　以直径100m的叶片为例，叶片延长2m扫风面积能增加近8%，在同样的风速条件下，机组从来流中获取的风能就有可能增加8%，因此提升效果还是很可观的，目前市场上的应用案例也较多，通常有叶尖延长和叶根延长两种方式。不管是哪种延长方式，在方案实施前都须经过严格载荷计算、强度分析等安全性评估，在提高机组发电量的同时还要确保技改后机组能够安全平稳运行，不增加机组安全风险也不能减少机组寿命。另外改造后的提升效果也需要精确估算，确保成本可控，经济性可行[2]。

　　根据风机的发电特性，风能转化效率主要由叶片的气动性和最优Cp的跟踪策略来决定，所以风能转化效率的提升思路也主要从这两个方面来开展。

　　叶片清理/修补/贴膜：风电场通常建于山区或近海等区域，自然环境较差，风机叶片长期暴露在外，容易经受环境中雨滴、冰雹、盐雾、风沙等粒子的侵袭，这些都是导致叶片腐蚀的主导因素，而叶片一旦遭受腐蚀后，其基体材料将直接暴露在紫外线及湿气等恶劣环境中，更会加速叶片的老化，降低叶片的防雷指数，严重影响机组的发电效率和运行安全性。研究数据显示，叶片因腐蚀、老化等缺陷对发电量造成的损失可达5%以上，由此可见，修复叶片、尽可能恢复其原有的气动性(发电效率)，对于风机发电量提升将是非常有效的途径。

　　根据维护经验，通常风场在正常运行两年左右叶片就会有胶衣脱落、出现沙眼等情况，到第五年叶片外部材料基本就磨损到极限。因此，为保证风场长久健康运行，建议每年都要对叶片定期进行检查，尽量选择风小季节针对前后缘腐蚀、叶尖及叶片避雷系统进行检查、维护、修补后，可在叶尖处前缘贴上风电叶片保护膜，加强叶片重点损坏部位的防护[3]。

　　加装涡流发生器：涡流发生器最早产生于航空领域，目前在风电领域也得到了广泛运用。它通过带动高能流动区域的能量进入边界层内的低能区域，使流体能量重新分布、抑制了流动分离，为机组减少由于气流分离带来的性能损失，提升原有的气动性。加装涡流发生器后的提效通常能达到2%～3%，但并不是所有风机都可以做，需经过严格的理论计算。

　　最优Cp跟踪优化(从传统查表模式优化成PI控制模式)：目前大多数风场机组运行在中低风速区间的时段最多，因此优化好这一风速区间的控制策略，追求最佳的风能利用系数(Cp)，将会对机组发电量的提升起到关键作用。对于采用给定转矩控制的风电机组，在早期的控制策略中转矩给定是通过查表法来实现，通过发电机转速来查对应的转矩，从而实现最优Cp的跟踪(图1中ABEFGH)。该方法虽然简单方便但局限性也明显：由于机组受最小并网转速和额定转速的约束，查表法在两个边界转速上，只能采用斜率较大的过渡斜线(AB→AC、EF→DF)来表征转速与转矩的对应关系，这种过渡斜线的方法缩短了最佳叶尖速区间，减少了机组的发电量；在图1中CD区间段，由于查表法点数有限，通常需要通过线性插值方式来计算给定转矩，实际上并不能很好跟踪这段曲线。为实现最大风能的捕获，风电机组的转速-转矩就得沿着图中ABEF轨迹运行，目前常用的办法是可采用比例积分(PI)控制器来实现[4]。

　　叶片零位校准：根据Cp-λ曲线可知，风机在功率上升阶段应保持正对风(即桨角0度)的状态才能跟踪最优Cp。因此风机叶片零位设置是否准确，将直接影响机组在功率上升阶段对于风能的利用效率。以某风电场为例，该风场机组叶片零位普遍存在偏差，导致发电效率低下。经现场测试，该系列机组叶片处于4度桨角时才相当于正常的零位，经过0位校准后机组功率恢复了正常的输出水平。

　　根据风机的能量转化原理，风能经过叶轮吸收后需经过风机传动链上一系列部件转化，最后由发电机输出为电能，在这整个过程中传动链上各部件的运行效率(机械效率、电气效率、自耗电等)将对最终输出有着重要影响。因此，提升传动链部件的运行效率将是机组发电量的提升的一个有用方向。

　　根据大多数风场的运维经验，可参考的思路有：优化相关部件设计缺陷。如散热器功率低，继电器电流阀值过小等；恢复、提高部分传感器及零部件精度。如转速传感器精度、温控阀改造等；根据风场特定环境，如春天容易飘柳絮堵塞散热口、冬天温度太低影响润滑等情况，可制定相对应的优化策略，保障相关部件的正常健康运行。

　　一个风电场的发电能力，除与先天的风资源条件及所选机组的质量水平有关外，运维团队的管理水平也是一个不容忽视的影响因素。科学合理的运维管理能使机组充分利用风力资源，减少故障发生频率，保持机组健康稳定的运行状态，最终达到获取最大发电量的目的。

　　检修维护策略优化。分析历年风速和限电数据，合理编制全年检修和技改时间计划，不限电地区安排在小风期，限电地区安排在限电严重月份；备品备件管理优化。做好备品备件的统计，分析使用情况，准确掌握常用备品需求，合理进行储备；负荷调度管理优化。积极与调度沟通，在电网调度负荷指令下，根据风电场设备特性，确定风机运行数量和风电场送出负荷，达到增发、抢发的目的；场用电管理优化。整合系统各类运行信息，结合电气运行方式特点，有针对性的根据年度、季度、月度不同工况，开展电气设备优化工作，不断提高电能传输效率，降低场用电率；技术的交流与传承。风电场一般地处偏远地区，人员流动大，要确保专业技术的交流与传承，保障运维水平。

　　综上，任何提升思路的落地应用都必须经过科学严谨的验证，才能最终为风场创造最大价值。