风电机组发电性能优化案例分析

摘要：根据国家风电技术与检测研究中心对华电街基风电场66台某品牌风电机组功率曲线的检测报告，决定对机组整体精确调整，通过优化机组控制策略、叶片零位校正等措施，以提高机组的发电量，对机组的安全稳定运行也起到了促进作用。关键词：风电机组发电性能优化1、概况华电某风电场共安装某品牌1500-82型风电机组66台，装机容量9.9万千瓦，分两期建设，单期容量4.95万千瓦，于2009年5月开始筹建。一期机组于2011年1月28日投入运行，二期机组于2012年12月27日投入运行。2017年华电某风电场66台某品牌机组开展深度治理和发电量提升改造，在不改变机组硬件的前提下，优化风电机组控制策略提高机组发电效率，并对风场66台机组进行系统研究分析、及时发现和处理机组的潜在隐患，确保机组高可靠运行，提高机组的可利用率。2、问题及原因分析2.1现有风电机组控制策略分析为了能使机组捕获更多的风能，主控系统必须将机组的运行控制在最佳叶尖速比附近，具体来说就是根据不同来流风速给定最佳的变桨角度和发电机功率值。如图1所示，应控制机组按照点A-B-C-F-G-H-L构成的曲线运行。（1）低风速（并网风速附近）情况下，最小允许发电机转速S1，控制机组在如图1所示的A-B段运行，这样就能使得实际叶尖速比靠近设计最佳值；（2）中风速（4m/s-10m/s）情况下，发电机转速S1-S4，控制机组在如图1所示的B-G段运行，使用最佳转矩给定维持叶尖速比在最佳值附近，追踪最佳风能利用系数Cp；（3）额定风速（额定转速风速）情况下，发电机转速S4，控制机组在如图1所示的G-H段运行，保持风轮转速在额定设计值，通过变桨策略来调整风能捕获能力。（4）高风速(机组满发)情况下，发电机转速S4-S5，控制机组在如图1所示的H-L段运行，维持在发电机恒功率输出，通过变桨策略来降低载荷和机械冲击。图1：稳态运行转速-转矩图为保证不同风速下，风力发电机能够捕获更大的风能，必须采用更好的控制策略来对机组进行控制。目前市场常用控制策略：一是公式计算方式，计算机组固定控制参数，以及在其基础上以参数分段调整为特点进行的机组控制；二是建立风速、功率、转速表，通过查询不同风速、转速功率对应值，实现对机组控制;三是建立数学模型，对风电机组运行过程中的关键参数进行计算并予以控制。我们引入第三种控制策略，并在其基础上对机组模型进行精细化计算。2.2现有控制策略存在的问题（1）风特性研究不足在运机型以准静态定常流动作为主要风模型设计机组控制算法。但是风能从本质上来说是空气的紊流流动，其风向、风速、涡旋度、流动形态等总是在不断地随机快速变化，所以其具有的能量也是时刻变化的，需要对其特性进行深入研究。（2）风能转化效率有局限机组原有控制策略，最大风能捕获的实现程度较低，风能转化效率不高。需深入分析和研究适应风的动态、三维、涡旋、紊流流动情况下的转换与利用技术。（3）控制策略参数调整单一本风场安装运行的机组，主控系统控制策略的参数都是按照标准条件计算得出的，计算中使用的都是标准的空气密度、环境温度、海拔高度等，忽略了具体风电场的工况，使得最终机组运行的功率曲线偏离标准曲线，发电量无法达到预计水平。需要根据机组的实际地理位置，周围环境因数等各项参数，对机组控制策略进行动态调整，得到最优的功率输出和合理的机组载荷。（4）控制策略采用静态组合方式机组厂家通常采用上述控制策略中的一种作为其主要控制策略，或者采用其静态组合的方式。这种静态的控制策略难以对风的变化快速跟踪并正确地响应。为了实现风能利用效率的最大化，就需要对风的紊流特性、风与风轮叶片的动态作用与响应特性、机组传动系统的动态响应特性、功率转换与变频系统的动态响应特性、电网动态特性以及上述各特性间的耦合（解耦）方法进行深入研究，并对现有的风电控制策略进行优化，实现在保证风电机安全性的前提下，输出功率最大化。3、方案设计3.1机组状态诊断与控制优化风电机组定型后，后期无法改变其整体性能。在机组运行后，会出现不同程度的缺陷，或因维护不到位，导致性能下降。本项目主要从3个方面入手：一是机组现场运行状态诊断、分析与治理。检查并消除机组隐患，使其从亚健康运行状态恢复到健康状态；分析异常数据，防止故障发生。二是采用精细化模型控制策略；变静态单一参数控制为动态多参数协调控制，在机组安全平稳运行的基础上实现发电量最大化。三是现场调试优化。3.2优化原则（1）不改动机组机械大部件（如叶片、发电机等），不添加电气元器件，只对机组的控制策略进行优化。（2）安全链不改动，机组切入、切出和安全控制策略不改动，仅对机组发电过程控制程序进行优化，确保机组的安全稳定性。（3）在控制策略优化前，对机组全面体检，精细调整，改善机组运行状况，发现和消除机组隐患。3.3精细化模型控制策略（1）不同环境条件下来流风紊流特性研究从风电机组系统的角度来看，风速是机组的主要外部信号，并决定了机组的运行状态。风速是时刻变化的，高度依赖于给定的地点和大气情况。这些特性使得风速的模型很难建立。精细化模型控制策略风速的动态模型是结合具体地点的特殊气象条件建立起来的。这个风速模型是一个动态随机的过程，由2个部分叠加而成，即V（t）=Vs（t）+Vt（t）式中Vs（t）是低频部分（代表长期、低频变化）；Vt（t）是湍流部分（对应快速、高频变化）。低频部分对应的是非常缓慢的风速变化，从能量的观点来看，低频部分是某一地点风速的主要参考，低频部分的模型用威布尔分布来表示。（2）风电叶片气动响应特性与气动效率优化技术研究研究叶片安装角随着展向的变化规律；设计工况下叶片不同截面来流攻角变化规律及绕流特性；紊流来流情况下叶片不同截面攻角及绕流特性；风速风向快速变化时叶片攻角及绕流特性；草原风与季风情况下机组叶片变桨控制策略。精细化模型中修改了传统定点风速模型，固定点频谱修改为掠过风轮的风速频谱同时考虑不同截面的绕流，采用旋转采样滤波，充分将风转矩变化、固定点风速湍流影响考虑在模型中；精细化模型同时也包括了当风速或桨距角突变时，产生的感应滞后子系统，有效减小风力波动对机组的整体控制难度，使得功率控制更加精准，以达到提升发电量的目的。（3）叶轮、传动链、发电机与变频等系统动态特性及其耦合特性研究研究变桨过程中,大叶轮的转动惯量与时间常数变化特性，大速比柔性传动链功率与载荷的响应与传递特性；双馈机组发电机与变频系统的功率转换动态响应特性；机组各系统耦合与解耦特性研究。精细化模型控制算法将机组的整体动态特性,依赖于风轮和发电机两条机械的特性曲线的相对位置，控制负荷特征曲线的斜率调整机组的响应时间；进一步精确控制发电机转速,通过变速调节直接控制能量捕获，实现风电机组与电网之间解耦；精准确定风电机组柔性传动链的弹性系统的刚性系数和阻尼系数得到三阶线性模型；综合上述机组几部分的模型（空气动力部分、传动链部分、发电机变频器部分）来建立不同结构的线性化模型，得出线性化特征值，调整参数使得机组工作点附近的动态特征趋于线性化。（4）机组发电量最优自动跟踪建模与算法研究以机组发电量最优为目标，精细化模型控制采用滑模控制，以得到最优的能量捕获，在转矩脉冲（控制输入）和优化跟踪之间进行平衡，实现一个多输入-多输出的优化控制。（5）基于精细化模型控制策略的功率控制与变桨控制方案设计以1.5MW变速恒频双馈风电机组为研究对象，以研究空气动力学基础理论和风紊流模型为起点,分析风电机组不同风况下的工作特性,在切入风速与额定风速之间,将模糊滑模变结构控制技术应用于机组功率控制当中；采用机组精细化模型建立机组变桨控制函数，并结合经典PID控制策略，动态变桨，实现机组最大风能捕获。对于变桨控制，可以得出根据机组精细化模型，建立桨距角函数：通过计算不同功率P，风速下的最优，并结合经典PID控制算法，动态调节，使机组能够捕获最大功率。机组变桨控制结构示意图如下图所示变桨控制结构示意图综上所述，可以看出：基于精细化模型控制算法中采用的模糊滑模变结构功率控制方法和机组模型变桨控制方法可以有效地控制机组的转速跟随风速的变化，保持不同风速下最佳叶尖速比和最大功率转化系数，使机组的输出功率在最优的区域，实现最大风能捕获的同时降低机组机械载荷。4、实施过程为保证新研发带有精确模型控制算法的控制程序能在技改机组安全稳定的运行，调试内容在机组体检的过程中已提前做了准备，比如进行风电机组的离网调试：接地电阻的测试、绝缘测试以及常规机械检查；测量终端调试：用于检测机组运行状态的数据采集系统调试，如电量采集模块、温度传感器、压力传感器、转速传感器等检查其测量值是否在正常范围内。当更新到新程序后需要对机组安全链，以及各个测量点进行确认，以保证程序的稳定性，确保机组的安全性。机组调试优化的主要内容如下。4.1安全性调试安全链是机组独立于控制系统之外的一套紧急停机控制回路，属于风电机组的最后一道防线，包括：安全链保险、急停按钮、三个叶片故障、轮毂超速、机组振动、发电机超速、刹车存储继电器、看门狗、超出工作位置、轮毂驱动纯硬件回路。确保机组安全的首要调试任务是安全链调试。为了确保机组更加安全稳定的运行，应测试备用电池的性能。以保证失电时机组能够安全顺桨停机。检查各个测量点的正确性，避免新版程序误报故障。4.2叶片零位校正叶片的零位校正不仅是对叶片制造过程与设计产生误差的校正，更是影响发电量提升的重要因数，因为精确模型控制策略是建立在机组叶片设计参数基础上的数学模型，叶片零位直接影响着发电量提升的效果，同时如果未校准零位会加大机组运行中的振动。4.3机组参数精细化机组参数的精细化包括：每支叶片的重量、重心位置，发电机的转动惯量、开口电压、定转子额定电压及电流等。这些参数将直接参与到模型控制策略的转矩控制中。4.4主控软件更新刷新主控程序，更新为基于精细化模型控制策略的功率控制系统。并进行相应的软件系统调试。5、改造效果5.1第一阶段自2017年7月23日到2017年9月23日2个月的数据统计，技改机组平均发电量提升6.08%，技改后机组运行稳定，未见明显缺陷及安全隐患。5.2第二阶段在全面开展风电场程序更新前，继续采用第一阶段的对比方案截止到2017年10月23日技改机组发电量提升5.61%。5.3第三阶段为了利用不同对比方案进行发电量提升验证，于2018年1月5日，街基现场HR3、HR25、HR53还原为老程序作为标杆机组，截止至2018年2月6日发电量提升4.90%。5.4技改机组功率散点图对比以下散点对比图为技改机组与标杆机组2017年7月23日到2017年9月8日与2016年7月23日到2016年9月8日相同月份的散点对比图。通过观察标杆机组的散点图两年的变化不大，基本一致；而技改机组的散点图2017年的图形明显强于2016年的图形，效果明显。下图中的7#、15#、61#三个机组为风场选定的技改机组所对比的标杆机组，通过图形不难看出三台机组2017年的散点图形与2016年的散点图形基本完全重合变化不大。下图中的9#、12#、10#、14#、60#、62#六台机组为发电量提升的机组散点对比图，通过图形不难看出六台机组2017年的散点图形与2016年的散点图形差异明显，2017年技改后的散点图在相同风速下明显高于2016年未技改时散点图，达到了技改的目的，技改效果明显。6、总结和建议（1）本项目所研究的精细化模型控制策略克服了传统查表控制算法的缺点，变静态单一参数控制为动态多参数协调控制，更大范围内跟踪最佳Cp曲线，寻找机组运