張偉，雷陽(yáng)，張中泉

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

風(fēng)電機(jī)組偏航校正分析方法研究

張偉，雷陽(yáng)，張中泉

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030)

偏航系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件之一，偏航系統(tǒng)存在一定的誤差角度會(huì)影響機(jī)組的發(fā)電量。提出一種基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組偏航校正分析方法，該方法依據(jù)貝茲理論建立基于分風(fēng)向夾角區(qū)間的模型，將機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)中的風(fēng)速、風(fēng)向夾角、功率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、變槳角度、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行剔除后輸入模型，得到各風(fēng)向夾角區(qū)間的功率曲線，通過(guò)對(duì)比分析得出機(jī)組的偏航誤差值。采用該方法對(duì)云南蒙自某風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，并利用機(jī)載式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該分析方法是可行的。

風(fēng)電機(jī)組；偏航系統(tǒng)；偏航校正；風(fēng)向夾角；激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀

0 引言

風(fēng)能是目前最具商業(yè)性和活力的可再生能源之一，具有成本低、清潔、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。全球風(fēng)能理事會(huì)發(fā)布報(bào)告稱，2016年全球風(fēng)電新裝機(jī)容量超過(guò)54.60 GW，全球累計(jì)容量達(dá)到486.70 GW[3]。中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)發(fā)布報(bào)告稱，2016年中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量為23.37 GW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到169.00 GW；其中海上風(fēng)電新增裝機(jī)0.59 GW，累計(jì)裝機(jī)容量為1.63 GW[4]。風(fēng)電飛速發(fā)展的同時(shí)，在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)維等過(guò)程中也逐漸暴露出一些問(wèn)題。其中，偏航系統(tǒng)存在的偏航不對(duì)風(fēng)、偏航誤差較大等問(wèn)題，不僅會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的發(fā)電量下降，而且會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性。

目前，風(fēng)電機(jī)組偏航校正的常規(guī)方法是參照J(rèn)B/T 10425.2—2004《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 偏航系統(tǒng)第2部分:試驗(yàn)方法》[5]，對(duì)比羅盤的刻度線和與風(fēng)輪中軸線的夾角進(jìn)行偏航校正。由于機(jī)組的塔筒、機(jī)架、輪轂等部件通常由鑄鐵類磁性材料制備而成，故利用該方法存在以下問(wèn)題：(1)鑄鐵影響羅盤的正常使用，導(dǎo)致偏航校正效果較差；(2)由于基準(zhǔn)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)較難找到風(fēng)輪的中軸線；(3)校正時(shí)需停機(jī)操作，影響機(jī)組的正常運(yùn)行。故制訂一套精度高、實(shí)施方便、不影響機(jī)組停機(jī)的偏航校正方法顯得尤為重要。

1 風(fēng)電機(jī)組偏航校正分析方法

1.1 風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)誤差分析

在理想對(duì)風(fēng)情況下，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的中軸線或其平行線與風(fēng)向的夾角為0°，但由于風(fēng)向儀制造、安裝、調(diào)試過(guò)程中存在無(wú)可避免的誤差，使得機(jī)組無(wú)法正對(duì)風(fēng)，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電量下降。

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的貝茲理論[6]，風(fēng)電機(jī)組捕獲的功率P表達(dá)式如下

式中：P為風(fēng)輪吸收的功率；ρ為空氣密度；A為風(fēng)輪掃風(fēng)面積；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；v為風(fēng)速。

風(fēng)向夾角是指測(cè)風(fēng)儀所測(cè)的絕對(duì)風(fēng)向與機(jī)艙中軸線的夾角，取為θ。若機(jī)組偏航存在系統(tǒng)誤差，即機(jī)組始終無(wú)法正對(duì)風(fēng)，則風(fēng)電機(jī)組損失的功率Ps=P(1-cos3θ)，比如偏航誤差為5°，計(jì)算得到發(fā)電損失達(dá)1.14%。

1.2 基于區(qū)間化的偏航校正分析方法

通常情況下，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)向夾角θ超過(guò)一定角度(如±15°)時(shí)機(jī)組才開始偏航，將-θ～θ之間劃分若干個(gè)區(qū)間，區(qū)間角度取為α。基于風(fēng)向夾角的區(qū)間化模型如圖1所示(為直觀地顯示，模型省略了葉片、機(jī)架、塔基等部件)。

圖1 基于風(fēng)向夾角的區(qū)間化模型

同樣，按照上述區(qū)間劃分方法將風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行區(qū)間化處理，并參考IEC61400-12-1—2005[7]標(biāo)準(zhǔn)剔除干擾數(shù)據(jù)后形成區(qū)間化的功率曲線，分析流程如圖2所示。對(duì)比各區(qū)間的功率曲線找出功率曲線最優(yōu)的區(qū)間，若-α/2～α/2區(qū)間的功率曲線最優(yōu)，則認(rèn)為該機(jī)組不存在偏航誤差，若α/2～3α/2區(qū)間的功率曲線最優(yōu)，則認(rèn)為該機(jī)組偏航存在α的誤差。理論上講，α越小，偏航誤差越小。

圖2 基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組偏航校正分析流程

1.3 偏航校正分析方法的驗(yàn)證

激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀[8-9]是利用連續(xù)波(或脈沖式)激光技術(shù)并結(jié)合多普勒定律進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)的精準(zhǔn)測(cè)量。機(jī)載式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀主要參數(shù)見表1。

表1 機(jī)載式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀主要參數(shù)[8]

本文參考IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用機(jī)載式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀進(jìn)行風(fēng)向夾角分區(qū)間處理，得到各區(qū)間的功率曲線，并通過(guò)實(shí)際案例經(jīng)對(duì)比分析制訂一套適合風(fēng)電機(jī)組偏航校正的分析方法。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)背景

測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址位于云南省蒙自市，該風(fēng)電場(chǎng)#30機(jī)組自投產(chǎn)來(lái)出力較差，從故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，該機(jī)組故障率較低，未發(fā)現(xiàn)與其他機(jī)組有明顯差別；綜合考慮地形、故障、利用小時(shí)數(shù)、變槳性能等指標(biāo)，懷疑#30機(jī)組的偏航系統(tǒng)可能存在一定的問(wèn)題。

2.2 基于風(fēng)向夾角區(qū)間化的偏航校正分析

采集到#30機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)中風(fēng)速、風(fēng)向夾角、功率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、變槳角度、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)組停機(jī)時(shí)間、故障時(shí)間等參數(shù)，采集時(shí)間為2016-11-01—25，數(shù)據(jù)為30s平均值。

數(shù)據(jù)剔除參考IEC標(biāo)準(zhǔn)，制訂的有效數(shù)據(jù)判據(jù)如下：(1)功率大于0.1kW；(2)槳矩角小于20°；(3)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于1 050r/min；(4)非風(fēng)速小于10m/s且槳矩角大于5°；(5)風(fēng)向夾角小于15°且大于-15°；(6)非停機(jī)時(shí)間；(7)非故障時(shí)間；(8)非棄風(fēng)限電時(shí)間。

數(shù)據(jù)剔除后，將#30機(jī)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)向夾角區(qū)間化處理，區(qū)間角度為5°，區(qū)間范圍為-15°～15°，得到8個(gè)區(qū)間(見表2)，功率曲線如圖3所示。

表2 #30機(jī)組分風(fēng)向夾角的8個(gè)區(qū)間

圖3 #30機(jī)組分風(fēng)向夾角的8個(gè)區(qū)間功率曲線

若機(jī)組偏航性能較好，區(qū)間[-5°,0°)和區(qū)間[0°,5°)的功率曲線是最好的，但結(jié)合圖3可知，功率曲線較好的區(qū)間是區(qū)間5和區(qū)間6，即區(qū)間[0°,5°)和區(qū)間[5°,10°)。故#30機(jī)組風(fēng)向儀調(diào)試時(shí)可能存在5.0°左右的偏航誤差。

2.3 基于激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀的驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述分析方法的有效性，利用機(jī)載式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。機(jī)載式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)

儀安裝于#30機(jī)組機(jī)艙頂部，激光窗的中心線距機(jī)艙頂部距離約1.6m，現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖4所示。

圖4 機(jī)載式雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀現(xiàn)場(chǎng)布置

測(cè)風(fēng)儀測(cè)試距離為5，15，25，45，65，95，130，163，195，260m。測(cè)風(fēng)儀數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2016-12-01—18，以1Hz的采樣速率連續(xù)采集機(jī)載測(cè)風(fēng)儀后臺(tái)1s瞬時(shí)數(shù)據(jù)。

對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除規(guī)則參考第2.2節(jié)。數(shù)據(jù)剔除后，統(tǒng)計(jì)得到機(jī)載式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀在不同測(cè)試距離的風(fēng)向夾角平均值，見表3。

表3 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀所測(cè) #30機(jī)組風(fēng)向夾角數(shù)據(jù)

由表3可知，機(jī)載式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀所測(cè)不同測(cè)試距離的風(fēng)向夾角總均值為5.6°，不同測(cè)試距離的風(fēng)向夾角均值差異較小，故可認(rèn)為#30機(jī)組的偏航存在5.6°左右的誤差，發(fā)電量損失約1.43%。該分析結(jié)果與第2.2節(jié)中計(jì)算所得的偏航誤差為5.0°的結(jié)論一致，偏差僅有0.6°，可認(rèn)為上述分析方法模型精度較高。風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)本次分析結(jié)果對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)進(jìn)行了修正，理論上發(fā)電量可提高1.43%。

綜上所述，基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的分風(fēng)向夾角區(qū)間的功率曲線對(duì)比分析方法可以精準(zhǔn)計(jì)算出機(jī)組偏航的誤差值，通過(guò)機(jī)載式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為本文采用的基于激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀的風(fēng)電機(jī)組偏航校正分析方法是可行的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組偏航校正分析方法，采用該方法對(duì)云南蒙自某風(fēng)電場(chǎng)#30機(jī)組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在5.0°左右的偏航誤差，利用機(jī)載式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)#30機(jī)組存在5.6°的偏航誤差，表明本文所提出的分析方法是可行、有效的，對(duì)機(jī)組偏航系統(tǒng)進(jìn)行修正后，理論上發(fā)電量可提高1.43%。

若將該方法推廣到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行偏航校正，按平均一年提升1%的發(fā)電量計(jì)算，初步估算上網(wǎng)電價(jià)為0.50 元/(kW·h)、年等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為2 000、裝機(jī)容量為50MW的風(fēng)電場(chǎng)年?duì)I收可增加約50萬(wàn)元。

本文提出的分析方法不僅不需要額外加裝設(shè)備，節(jié)省人工檢查的成本，而且精度高、操作方便，對(duì)促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的性能分析優(yōu)化技術(shù)發(fā)展具有積極意義。

[1]王夢(mèng).對(duì)我國(guó)開發(fā)利用風(fēng)力發(fā)電的思考[J].中國(guó)國(guó)土資源經(jīng)濟(jì),2005,18(2):19-20.

[2]張東東.基于風(fēng)向預(yù)測(cè)的風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[3]全球風(fēng)能理事會(huì)發(fā)布《全球風(fēng)電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)2016》[EB/OL].(2017-02-14)[2017-03-16].http://mt.sohu.com/20170214/n480689925.shtml.

[4]2016年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)報(bào)出爐[EB/OL].(2017-02-17)[2017-03-16].http://www.cet.com.cn/nypd/sy/1893861.shtml.

[5]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 偏航系統(tǒng)第2部分:試驗(yàn)方法：JB/T 10425.2—2004[S].

[6]BURTON T.風(fēng)能技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社,2014.

[7]Wind turbines generator systems part 12-1：Power performance measurements of electricity producing wind turbines:IEC 61400-12-1—2005[S].

[8]馬東.激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀在風(fēng)電機(jī)組偏航誤差測(cè)試中的應(yīng)用研究[J].應(yīng)用能源技術(shù),2015(11):5-7.

[9]楊偉新，宋鵬，白愷，等.基于機(jī)艙式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀的風(fēng)電機(jī)組偏航控制誤差測(cè)試方法[J].華北電力技術(shù),2016(7):59-63.

(本文責(zé)編：劉芳)

2017-03-16；

2017-04-12

TM 315

B

1674-1951(2017)04-0071-03

張偉(1981—)，男，山東濟(jì)寧人，工程師，工學(xué)碩士，從事新能源風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)、風(fēng)資源分析、大數(shù)據(jù)分析、故障診斷技術(shù)等領(lǐng)域的研究(E-mail:wei-zhang@chder.com)。