基于風(fēng)電機(jī)組功率特性曲線數(shù)據(jù)的偏航系統(tǒng)參數(shù)分析

摘 要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)角度偏差及時(shí)間延時(shí)設(shè)定，將影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)風(fēng)能的捕獲，通過采集風(fēng)電機(jī)組功率特性曲線，分析風(fēng)向變化對(duì)功率特性曲線的影響程度及趨勢(shì)，提出參數(shù)優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能捕獲，提高風(fēng)能利用效率和機(jī)械壽命。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；功率特性曲線；偏航誤差角；發(fā)電功率

1 概述

風(fēng)能作為清潔可再生能源，世界各國都在積極地發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)電設(shè)備正成為人們研究的熱點(diǎn)，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組容量也越來越大，風(fēng)電機(jī)組功率特性曲線是體現(xiàn)發(fā)電能力的核心指標(biāo)，也是設(shè)備主要的考核指標(biāo)之一，因此對(duì)功率曲線一致性驗(yàn)證、分析，找出內(nèi)在因素，對(duì)提升設(shè)備發(fā)電能力顯得尤為重要。

2 研究對(duì)象

文章研究對(duì)象為葉輪直徑87米、1.5MW風(fēng)電機(jī)組功率特性曲線，風(fēng)機(jī)主要包括以下部件：風(fēng)輪、齒輪箱、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、機(jī)艙罩殼、變頻器、塔筒。

3 功率曲線驗(yàn)證

利用SCADA監(jiān)控平臺(tái)采集風(fēng)機(jī)平均風(fēng)速、功率數(shù)據(jù)，繪制功率曲線散點(diǎn)圖如圖1、2所示。

圖1 機(jī)型1功率曲線 圖2 機(jī)型2功率曲線

選定2種機(jī)型功率曲線，機(jī)型1功率曲線平滑度高，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)型2功率曲線波動(dòng)大，波動(dòng)數(shù)據(jù)點(diǎn)多低于設(shè)計(jì)值，且集中在額定風(fēng)速以下區(qū)間。

4 偏航數(shù)據(jù)分析

利用SCADA監(jiān)控平臺(tái)采集風(fēng)機(jī)發(fā)電時(shí)段偏航對(duì)風(fēng)角度數(shù)據(jù)，繪制角度值散點(diǎn)圖如圖3、4所示。

圖3 機(jī)型1偏航角度散點(diǎn)圖 圖4 機(jī)型2偏航角度散點(diǎn)圖

4.1 機(jī)型1觸發(fā)自動(dòng)偏航程序的條件

（1）風(fēng)速大于7米/秒，偏航對(duì)風(fēng)偏差大于8°，延時(shí)60秒，風(fēng)機(jī)偏航。（2）風(fēng)速小于6米/秒，偏航對(duì)風(fēng)偏差大于10°，延時(shí)120秒，風(fēng)機(jī)偏航。

4.2 機(jī)型2觸發(fā)自動(dòng)偏航程序的條件

（1）風(fēng)速大于等于9米/秒，偏航對(duì)風(fēng)偏差大于8°，延時(shí)210秒，風(fēng)機(jī)偏航。（2）風(fēng)速大于等于9米/秒，偏航對(duì)風(fēng)偏差大于15°，延時(shí)20秒，風(fēng)機(jī)偏航。（3）風(fēng)速小于9米/秒，偏航對(duì)風(fēng)偏差大于10°，延時(shí)250秒，風(fēng)機(jī)偏航。（4）風(fēng)速小于9米/秒，偏航對(duì)風(fēng)偏差大于18°，延時(shí)25秒，風(fēng)機(jī)偏航。

4.3 機(jī)型1與機(jī)型2偏航程序的差異

（1）高、低轉(zhuǎn)換風(fēng)速設(shè)定不同，機(jī)型1設(shè)定為6<=>7米/秒，而機(jī)型2設(shè)定為9米/秒（額定風(fēng)速約為10米/秒），影響高風(fēng)速階段風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)能的捕獲。（2）延時(shí)時(shí)間設(shè)定不同，機(jī)型1高風(fēng)速延時(shí)60秒、低風(fēng)速延時(shí)120秒，而機(jī)型2高風(fēng)速延時(shí)210秒、低風(fēng)速延時(shí)250秒，啟動(dòng)偏航等待時(shí)間長。

4.4 機(jī)型1、機(jī)型2風(fēng)機(jī)發(fā)電時(shí)段偏航對(duì)風(fēng)角度均值

取偏航對(duì)風(fēng)角度絕對(duì)值平均數(shù)，機(jī)型1發(fā)電時(shí)段偏航誤差角度平均值約為5.06°，機(jī)型2發(fā)電時(shí)段偏航誤差角度平均值約為7.13°。

5 偏航誤差角對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電功率的影響

（1）當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)向與風(fēng)輪軸向會(huì)偏離一個(gè)角度，該角度記為偏航誤差角θe，將風(fēng)向角度記為θw，風(fēng)輪軸線角度記為θt，

則θe=θw-θt，如圖5所示。

發(fā)電機(jī)功率可表示為：

Pg=PMAXcosθe=PMAXcos（θw-θt）

由上式可知風(fēng)向的變化會(huì)引起發(fā)電機(jī)功率的變化。偏航誤差角越大，發(fā)電機(jī)功率越小，僅當(dāng)θe=0時(shí)，發(fā)電機(jī)功率最大。

（2）偏航誤差角造成風(fēng)電機(jī)組葉輪風(fēng)能利用系數(shù)降低、效率下降，影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率，如圖6所示。

圖5 圖6 風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)誤差（°）

發(fā)電功率差值：

△P=PMAXcosθ1-PMAXcosθ2

=PMAXcos（cosθ1- cosθ2）

代入5.06°、7.13°求得：

△P=0.0038PMAX=0.38% PMAX

以1.5MW風(fēng)電機(jī)組為例，若安裝33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，年理論發(fā)電量為9000萬千瓦時(shí)：

△P=0.38%x9000=34.2萬千瓦時(shí)

風(fēng)電機(jī)組多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在額定功率以下，合理設(shè)定偏航誤差角可提升發(fā)電功率，年收益顯著。

6 偏航對(duì)系統(tǒng)壽命的影響

影響風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)壽命的因素是多方面的，側(cè)風(fēng)也是其中一個(gè)因素，它不僅降低了最大風(fēng)能捕獲，而且對(duì)旋轉(zhuǎn)中的槳葉構(gòu)成危害，側(cè)風(fēng)葉輪旋轉(zhuǎn)過程中，槳葉上所受力矩做周期性變化，輪轂、轉(zhuǎn)軸上也受到周期性的側(cè)向力作用，同時(shí)，周期性力矩作用對(duì)包括塔架在內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組形成具有一定頻譜的振動(dòng)源，對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成危害。

7 結(jié)束語

文章通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性曲線驗(yàn)證，進(jìn)而分析偏航誤差角對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率的影響，合理優(yōu)化偏航誤差角控制參數(shù)，可有效提升發(fā)電量，提高系統(tǒng)的使用壽命。風(fēng)電機(jī)組影響偏航誤差角因素甚多，如偏航啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間、風(fēng)向標(biāo)誤差等，文章未進(jìn)行系統(tǒng)分析，實(shí)際中應(yīng)考慮此問題。

參考文獻(xiàn)

[1]樸海國，王志新.風(fēng)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)的新型算法[J].太陽能學(xué)報(bào)，2008，29（8）.