风机功率提升-风速计改造及机组控制策略优化

摘要：目前，可再生能源的发展得到的世界各国的高度重视，以风电为首的低碳清洁能源在电网中的比例越来越高，并且有进一步发展的趋势。但是，相较传统能源发电形式，风力发电的成本仍相对较高。因此，分析机组发电性能，提升机组发电能力，可以提升风场运行效率，增强风电机组发电成本与化石燃料发电成本的竞争能力，改善风场开发商的经济效益。

Abstract： At present， the development of renewable energy is highly valued by countries all over the world. The proportion of low-carbon clean energy led by wind power in the power grid is getting higher and higher， and there is a trend of further development. However， the cost of wind power generation is still relatively high compared to traditional forms of energy generation. Therefore， analyzing the power generation performance of the unit and improving the power generation capacity of the unit can improve the operating efficiency of the wind farm， enhance the competitiveness of wind turbine power generation costs and fossil fuel power generation costs， and improve the economic benefits of wind farm developers.

关键词：风力发电;风速计;风机功率;优化

Key words： wind power;anemometer;fan power;optimization

中图分类号：TM315                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）30-0155-02

0  引言

鉴于风力发电的环保性，近些年我国风力发电产业的发展也非常迅猛，但是随着产业的大跨步向前迈进，许多问题也逐渐凸显出来，例如标准体系相对滞后、铺设基础设施的成本过高、配套能力稍显劣势以及风力发电自主创新能力不够等等。风电场运行管理中的功率曲线验证标准技术路线不清晰、非常具有技术难度，而在这方面国标标准也并不完善无从参考，更新速度较慢，从而制约了行业的发展脚步。

①风力发电机组在设计和投运前，机组的转矩是在理论情况下计算的（通常只能采用标准空气密度进行计算），这意味着所计算出的转速转矩表只有在理想环境的情况下才是最优的。但是风电机组的运行环境不可能是标准的理想环境，受地理环境限制，不同地区之间空气密度存在一定偏差，尤其在高海拔地区和高温地区，并且同一风电场在不同的季节以及昼夜变换过程中，空气密度也随之变化，在相同风速条件下，空气密度的变化会影响风电机组的转矩控制及功率输出，以致实际运行无法实现最优控制。

②传统机械式的风速风向仪依靠轴承的转动来完成测量，其精度及寿命基本取决于轴承，在风沙扬尘严重场合以及腐蚀性严重的沿海场合轴承会过早由于异物及腐蚀引起运转卡涩，且在环境相对良好的场合运行，使用一定时间后轴承的阻尼也会随之增大，其测量数据误差也会增大，严重影响风电场的发电效率。

③由于机械式风速风向仪存在不可避免的问题，超声波风速风向仪应运而生，超声波风速风向仪的寿命取决于超声波传感器，由于超声波传感器表面用橡胶皮包裹着，可以有效避免风沙以及雨水的侵蚀，且由于是采用传感器测量，故不存在轴承磨损问题。

鉴于以上3点，采用带有空气密度检测的超声波风速风向仪不仅可以避免机械式的风速风向仪轴承磨损老化问题，还可以将采集的空气密度传输给主控，并对主控控制策略进行修正，让风机的主控系统根据不同空气密度下采取动态风电机组功率最优控制方法，提高风力发电机组发电效率，提升发电量。

1  研究内容及预期目标

1.1 加装空气密度传感装置，向机组主控系统实时提供空气密度数据

空氣密度监测仪，是为在线监测变桨风力发电系统周边环境的空气密度，便于提高风力发电机的工作效率。 现有技术中，风电机组制造商基本忽略了空气密度的变化，对风电机组输出功率所产生的影响。由于我国地形环境复杂，不同海拔的高度，以及空气湿度的波动，对空气密度的影响特别大。另外，季节的变化，昼夜温差的变化，都会使同一地区的空气密度产生波动。因此，上述几种情况，都会导致风电机组的运行偏离最优状态。即：实际输出功率低于设计输出功率。然而，现有技术中，利用温湿压法研制的产品，其通信协议单一不能通用，而且未做防雷保护，不能直接应用在风力发电机组系统上。现有技术中，所述空气密度的测量方法有：浮力法、声学法和温湿压法。其中，浮力测量密度的方法以及装置不适合用于风力发电机组上;声学法是利用声场与空气压力的关系来测定空气密度的方法，该方法不能满足风力发电机组的精度要求;温湿压法通过测量空气的温度、湿度、压力计算出空气密度，其精度能满足要求，能适用于风力发电机组的自动控制系统。

1.2 开发最优风电机组功率控制方法实现最大发电输出

设计出一种能够自适应空气密度变化的风电机组功率最优控制方法，使风电机组运行能够随空气密度改变，通过动态最优实时调整转矩控制，调节风轮转速，使其随着输入风能的变化而变化，保持最佳叶尖速比运行，获得最大的风能利用系数，实现最大发电输出。

在风力发电系统中广泛应用的风机是变速恒频风机，它的转速可以在低于额定风速时随风速变化而变化，使风机保持在最优功率点工作进而捕获最大风能。当高于额定风速的情况下，也可以通过调节浆距角来实现风机的功率输出。

风能的特性本身就是不稳定且随机的一种天然能源，因此捕获风能的手段既与风力发电机自身特性有关，又与其控制方法有关。当风机转速恒定的时候，风力发电机的输出功率与风速成正比，所以对于某一风速来说，总是存在一个最大输出功率的。合适的控制方法能够将风力发电机风轮的速度紧跟风速变化而变化，做到尽最大可能减少滞后时间，使得风力发电机能够随风速变化依然可以保持捕获最大风能。

1.3 通过加快变桨响应和减小超调量的方式来优化变桨 PI

加快变桨响应是目前风力发电系统中调节发电机效率的重要方式之一。该方式的操作原理为在风速增大的时候，发电机叶轮会随之增加，而变桨调速装置就是在这个过程中通过增大浆距角的方式减小叶轮的变化趋势。在风速增大的情况下，变桨调节装置开始工作，推动叶轮的转动方向从而减少叶轮对于风能的吸收达到使风轮稳定运行在额定转速范围内;反之亦然。液压控制系统具备传动力矩大、重量轻、刚度大、定位精确、液压执行机构动态响应速度快等优点，能够保证更加快速、准确地把叶片调节至预定节距。目前国内发电机的变距装置大部分的动力系统都是液压控制系统，在发动机并入电网之前通过发动机的转速和风速大小来调节桨叶的运行状态，在发动机并入电网之后通过以PI控制为主要控制方式的功率调节器作用，经过一系列的运算得出浆距角位置。

1.4 预期目标

采用该控制策略，通过转矩控制，调节风轮转速，使其随着输入风能的变化而变化，使机组随时保持在最佳叶尖速比状态下运行，获得最大的风能利用系数，实现最大发电输出，然后再通过优化程序进一步提高了风电场的发电量。

在大风大湍流等极端天气的情况下，风机容易发生极限阵风超速、超功率问题，本设计优化了变桨PI系数，加入超速应对策略使风机转速平稳，变桨响应较快，功率相对平稳且未发生停机，完全可以经受大风大湍流带来的冲击，保证了风力发电机组的可靠运行。

1.5 主要技术指标

①提升机组发电量5%以上。

②通过加快变桨响应和减小超调量的方式来优化变桨PI，避免大风大湍流带来的冲击。

2  优化方案

2.1 硬件实施

超声波风速风向仪的安装、供配电方式、以及通讯方式改造。将原有机械式风速风向仪拆除替换为超声波风速风向仪，风速风向仪可采用485与主控通讯，为防止原电源模块功率不够可加装独立供电电源模块，将风速、风向、空气密度以及其他相关实时测量数据传输给主控。

利用超声波时差法测量风速的仪器称为超声波风速风向仪。声音在空气中的传播速度是受风力影响的，不同风向不同风速都会不同程度地影响传播速度。当风向与声音的传播方向相同时，声音在空气中的传播速度会增强，反之则减弱。所以，当检测条件不变的情况下，超声波的传播速度和风速有一定的关系，经过一系列的运算，我们能够通过超声波风速风向仪确定风向和风速。

超声波的传播速度对环境温度是非常敏感的，换而言之温度是影响超声波在空气中传播速度的重要因素。但是在超声波风速风向仪工作的过程中，由于超声波风速风向仪的检测通道是相反方向的两个通道，所以在温度影响这个方面是非常小的。超声波风速风向仪的特点是重量轻、长久耐用、无需维护无需现场校准。超声波风速风向仪可以与电脑、数据采集器或其它具有RS485或模拟输出相符合的采集设备连用，也能够使用多台超声波风速风向仪组成一个风向仪网络应用在实际工作中。超聲波风速风向仪的出现，解决了很多机械式风速风向仪所不能触及的领域，它可以全年无休地工作适应寿命也非常强，因此超声波风速风向仪在实际风力发电系统中逐渐替代了机械性风速风向仪。

2.2 软件更新：主控程序算法增加空气密度跟踪优化控制逻辑

机械式风速风向仪更换为超声波风速风向仪，由于不存在机械式风速风向仪在使用中的弊端，从而风速、风向测量更精准，运行也更稳定，再加主控程序算法对空气密度的最优跟踪，会对风机的发电量有一定的提升效果。

对主控程序的优化主要目的是为了使机组性能得到良好提高。主控程序优化主要包括对风力发电厂的风能进行实时误差调整控制、根据空气密度自动调节的最佳跟踪优化控制策略优化等等。

3  结论与展望

理论计算发电量提高比例为5%，按2018年度呼盟公司4个项目总发电量3.99亿kWh计算，增加发电量1995万kWh（排除弃风限电因素），每年增加效益997万元左右。后期根据新能源公司各风电场实际运营情况，进行大范围全面推广。

参考文献：

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