风电机组能效分析及优化研究

风电机组能效分析及优化研究

揣洪宇

大唐朝阳风力发电有限公司 辽宁省 朝阳市 122000

摘要：在我国经济在快速发展的新时期，电力行业发展十分迅速，为了应对全球气候变暖问题，风电作为清洁高效的可再生能源，受到世界各国的高度重视并得到大力发展。但目前风电机组能效偏低问题已成为风电场特别是老旧机组运行过程中普遍存在的问题，严重影响风电场发电经济效益。因此该文章从偏航控制、变桨控制等方面分析研究风电机组能效，查找存在的问题，并提出优化建议。

关键词：风电机组；能效分析；优化研究

引言

近年来，随着风电机组装机量的日益增加，风电在中国发电总量中的占比越来越大。同时对于安装在海上或风力资源丰富但地处偏远的风电机组，对其进行维护需耗费大量的人力物力。这要求风力机应具有充足的可靠性，以减少所需投入的维护成本进而在制定更合理的维修策略以及降低风力机停机时间等方面提供帮助。因此，搭建精确的风电机组仿真模型已成为风力发电系统进行智能状态监测与评估的重要基础。

1现场安装流程

风电机组由塔筒、机舱、叶片、轮毂和发电机等大部件组成。对于双馈型或中速永磁风电机组，发电机位于机舱内部。对于直驱型风电机组，发电机位于风轮和机舱之间。本文以陆上某双馈型风电机组的四段塔筒和风轮整体吊装方案为例，简述风电机组现场安装流程和技术要点。陆上机型的电气柜通常包含塔基柜和变流器柜。海上机型的电气柜除上述柜体外，还包含了变压器、电池柜、航标灯柜、ＰＴ柜、环网柜和ＵＰＳ柜等。

2风电机组能效分析及优化研究

2.1物联网技术在运维管理中的应用

为有效提升风电机组运维的工作水平，可合理运用物联网技术，打造全新的风电机组运维管理模式。如物联网系统的服务端进行建设时，应当突出设备管理与任务管理。在设备管理工作开展时，应当由运维人员进行完成，实现对相关设备的基本信息管理，保证运维管理工作开展的有效性与可行性。在其任务管理时，则需要契合风电机组运行的具体情况，进而科学合理地调整运维检修工作任务，组织专业的运维检修小组，对机组设备进行运维检修。在物联网系统客户端进行设计时，应当突出检修人员的工作需求，使得运维检修人员，能够在手持终端设备的支持下，快速扫描条码获取运维检修的工作任务与内容，并及时对检修的工作记录进行上传，便于后台运行人员进行监控管理。基于物联网技术的支持，现场运维检修工作开展时，可根据检修的工作特点，灵活调整检修工作小组，如部分操作难度大、风险较高的作业项目，则需要增加检修人员，在检修人员的协同配合下，有效提升运维检修的工作整体水平。

2.2双PI及智能算法优化

目前风机采用的控制方法是查表法，由主控程序中给定的静态转速-转矩表进行控制。查表法较容易实现，但控制响应慢，控制精度较低。在风频变化较大时，容易产生偏差，并引起风机的振动。双PI控制：在并网转速和额定转速附近采用PI控制，并网转速和额定转速之间采用跟踪最佳尖速比控制的控制策略，能够实现风能的转换效率最大化，使风电机组能够最大程度地吸收风能，从而优化风机的功率曲线和提升风机的发电量。采用双PI控制方法后，主控PLC软件功率控制功能块采用了转矩控制和变桨控制相耦合的方式。在风速远小于额定风速以下时，通过转矩控制以维持最佳叶尖速比，以追求最大风能利用系数；在额定风速以上拐点处，如果风速波动很大，就要通过适当的变桨来实现平滑的过渡。在额定风速以上阶段，变速和变桨控制器也是同时发挥作用，通过变速即控制发电机的转矩，使其恒定，从而恒定功率。通过变桨来调整发电机的转速，使得其始终跟踪转速设置点。实际上，变速变桨通过简单的PI控制器就可以实现，但是额定风速以上风机系统模型的强烈非线性使得控制器参数选择比较困难，需要特别设计。变速、变桨2个控制器是同时运行的，为了使其耦合在一起，当在远远超过额定风速或以下时使其中一个或另一个控制环饱和。

2.3载荷分析计算

对于风电机组三维模型进行多物理场有限元仿真过程中网格划分及计算工作量对仿真设备要求较高、各关键部件间的耦合复杂等问题。本文提出在运用数值建模的前提下，使用相关风电机组载荷分析计算软件实现各部件的全方位建模，由于风电机组相较于其他设备、系统更侧重空气动力学、结构动力学领域的研究，所以选择合适的风力机设计及载荷计算软件即可对风电机组有关物理特性进行仿真，由于无有限元仿真软件的网格划分步骤，经过数值建模并在风力机设计及载荷计算软件中组配搭建而成的孪生模型具有对仿真设备要求较低、仿真运算用时较短以及仿真结果更具可靠性等优点。

2.4机舱分体吊装

机舱分体吊装时，可依次将机舱中下部（不含主传动链和机舱罩顶罩）、主传动链装置（含主轴、轴承座和增速器等）、发电机和电气柜等大部件起吊到高空指定位置。该吊装方式优点为在道路和吊装条件有限的情况下起重机械租金较低。但风机常处于多变的大风、雷暴和多雨等风场气候条件下，分体吊装方案需操作人员在高空长时间完成各大部件的高强螺栓紧固、电气系统接线、机舱罩顶罩吊装和联轴器对中检测等一系列工序。因此，机舱分体吊装方案适用于单台样机或小批量的风电机组吊装。

2.53D可视化技术的应用

在现代风电机组运维管理工作开展阶段，为有效提升运维管理工作效能，可合理运用3D可视化技术，为运维管理工作开辟新路径。如3D建模技术的合理运用下，进而根据风电机组的实物模型，搭设等比例的3D模型。运维管理人员可基于3D模型，更加直观有效地观察分析风电机组，并在计算机系统的支持下完成与风电3D模型的信息交互。为风电机组的某部件3D模型。工作人员基于三维动画模型的演示，能够分析不同零配件之间的响应关系，进而制定科学严谨的运维管理方案，保证运维管理工作开展的有效性与可行性。例如，运维管理人员对风电机组的齿轮箱油冷系统进行分析时，则可以基于3D建模技术的支持，建构齿轮箱的油冷系统运行动画模型，进而从整体到局部地观察相关部件的运行变化，评估机组齿轮箱运维管理方案执行的可行性，及时对齿轮箱油冷系统的运维管理方案进行完善优化，以保证运维管理工作开展的质量与效果。运维管理过程中，运维团队的整体实力与人员素养，将对后续运维管理工作的开展质量产生直接影响。

2.6叶片零位校正

根据能效分析结果，发现不同风机之间的功率曲线差异较大。当叶片零位存在偏差时，影响叶片的翼型，导致叶片的气动性能下降，从而风机吸收的风能偏低，因此建议对各风机开展叶片零位校正工作。通过手动变桨操作，调整叶片 0 位刻度线与变桨轴承 0 位刻度线对齐，登入控制系统修正叶片桨距角。

2.7物联网技术在运维管理中的应用

为有效提升风电机组运维的工作水平，可合理运用物联网技术，打造全新的风电机组运维管理模式。如物联网系统的服务端进行建设时，应当突出设备管理与任务管理。在设备管理工作开展时，应当由运维人员进行完成，实现对相关设备的基本信息管理，保证运维管理工作开展的有效性与可行性。在其任务管理时，则需要契合风电机组运行的具体情况，进而科学合理地调整运维检修工作任务，组织专业的运维检修小组，对机组设备进行运维检修  。在物联网系统客户端进行设计时，应当突出检修人员的工作需求，使得运维检修人员，能够在手持终端设备的支持下，快速扫描条码获取运维检修的工作任务与内容，并及时对检修的工作记录进行上传，便于后台运行人员进行监控管理。基于物联网技术的支持，现场运维检修工作开展时，可根据检修的工作特点，灵活调整检修工作小组，如部分操作难度大、风险较高的作业项目，则需要增加检修人员，在检修人员的协同配合下，有效提升运维检修的工作整体水平。

结语

本文提出一种更为切实可行的新风电机组孪生建模方法。该方法首先通过FAST建立风电机组风速模型、空气动力学模型以及结构动力学模型；其次在Simulink中建立电气系统模型与控制策略模型，从而实现对风电机组多耦合精细化孪生建模；最后根据该方法建立WindPACT1.5MW双馈风电机组与某风电场Fuhrländer2.5MW双馈风电机组孪生模型，并通过设计标准与实际运行数据对孪生模型仿真运行结果进行验证。对比结果表明，运用该方法搭建的孪生模型具有较高的准确性，并且验证了运用此孪生模型，实现风电机组孪生系统实时仿真，以及对风力机现场不可测数据进行孪生模拟的可行性与有效性，为最终实现数字孪生风电机组系统精确监测与健康管理奠定坚实基础，具有较好的应用价值。后续将基于风电机组孪生模型及其孪生模拟所得不可测数据对风力机各关键部件进行寿命评估与状态监测的研究。

参考文献

[1]范高锋，裴哲义，辛耀中.风电功率预测的发展现状与展望[J].中国电力，2011，44（6）：38-41.

[2]彭津.基于性能可靠性的风电机组功率曲线评定方法研究[D].保定：华北电力大学，2015.