風向標測風精度改進對發(fā)電量的影響分析

劉 楊

(中國能源建設(shè)集團科技發(fā)展有限公司，天津 300012)

風力發(fā)電機組的偏航控制系統(tǒng)，采用主動對風控制策略，通過安裝在機艙尾部的風向標反饋風向角度決定是否偏航，從而實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)風輪的迎風位置，使得機組實現(xiàn)最大風能捕獲和降低載荷。機組對風誤差不但減少了風能的捕獲，同時使得對稱的風電機組槳葉運行時受力不均，導致機組的振動與葉片的疲勞，塔架的載荷增大。如何提高風能捕獲的精度，提高發(fā)電量成為一個重要的問題。本文通過論述偏航系統(tǒng)的組成和功能，剖析偏航系統(tǒng)控制原理。針對目前采用的風向標N點位置易發(fā)生偏移、旋轉(zhuǎn)易卡澀等情況，提出了相對應(yīng)的改進方法，并通過對改進前后的發(fā)電量等數(shù)據(jù)進行對比，驗證了本次的改進工作效果明顯。

1 偏航基本情況

1.1 偏航系統(tǒng)的組成

偏航系統(tǒng)作為風機控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，其主要作用是根據(jù)風機的運行狀況，正確的調(diào)整機組的迎風方向，其合理的控制流程是保證風機正常運行的基礎(chǔ)。偏航系統(tǒng)一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器、偏航計數(shù)器、扭纜保護裝置、偏航液壓回路、風向標等幾個部分組成。

1.2 偏航系統(tǒng)控制原理

偏航系統(tǒng)可分為被動偏航和主動偏航兩種類型，大型風力發(fā)電機組中采用主動偏航控制，即由調(diào)向電機將風輪調(diào)至迎風位置。偏航系統(tǒng)是一個自動控制系統(tǒng)，其工作原理見圖1。

圖1 偏航系統(tǒng)的工作原理

1.3 風機偏航定值設(shè)置情況

某廠家的風電機組偏航定值設(shè)置情況見表1。偏航定值在設(shè)定時對風速進行了規(guī)定，以7.5 m/s劃分為高風速閥值。當風速儀檢測風速小于7.5 m/s時，偏航按照低風速下的偏航角度7.5 m/s時，偏航按照高風速下的偏航角度進行判斷偏航。因此，當風向標檢測的風向存在偏差時，會對偏航時機產(chǎn)生很大的影響，從而對發(fā)電量產(chǎn)生一定影響。

表1 偏航定值設(shè)置情況

2 現(xiàn)實工況下風向標存在的問題

2.1 風向標N點位置偏移

風向標N點對應(yīng)位置見圖2，當風向標鐵錘與N點重合時風從機艙尾部吹來，風向值為0°，此時對風角度為180°。風向標0～360°，對應(yīng)的輸出電壓為0～10 V。

圖2 風向標N點對應(yīng)位置

在長期的運行過程中，由于風向標安裝工藝質(zhì)量、工程施工、人員維護等因素的影響，風向標與風向標支撐架間的螺絲易發(fā)生松動。當發(fā)生松動后，風向標N點將會發(fā)生偏移，影響風向標的測風精度。

2.2 風向標旋轉(zhuǎn)易卡澀

風向標旋轉(zhuǎn)軸承在長期的運行過程中易發(fā)生因潤滑不夠或異物進入引起的旋轉(zhuǎn)卡澀現(xiàn)象(見圖3)，旋轉(zhuǎn)卡澀會造成對風精度的誤差，影響機組的運行性能。

圖3 風向標實物圖

3 改進方法

針對風向標N點位置易發(fā)生偏移的問題，在改進中，一般采取將風向標重新拆下，清理螺紋并涂抹螺紋膠，將N點重新固定對正。在N點固定擰緊固定螺栓時，一定要保證N點不可有任何錯位，固定螺栓要固定可靠。

對于風向標旋轉(zhuǎn)易卡澀的問題，在改進中，一般采取將風向標拆下，將風向標倒立過來(重錘側(cè)朝下，固定螺栓側(cè)朝上)將潤滑油滴到軸承內(nèi)。此項工作應(yīng)結(jié)合日常運行及維護工作進行，值班人員發(fā)現(xiàn)風向標值有誤差或兩個風向標偏差較大時應(yīng)做好記錄，在月巡視或檢修維護時做好風向標的檢查維護工作，避免因長期的運行造成風向標故障停機。

4 改進效果驗證

4.1 變量選取

本次改進效果驗證選取某風電場A03號風機，該臺風機在2016年12月份完成了風向標N點校準、軸承潤滑加油等工作。數(shù)據(jù)統(tǒng)計時間選取改進前的2016年1－4月份數(shù)據(jù)及改進后的2017年9月份數(shù)據(jù)進行比較，數(shù)據(jù)統(tǒng)計變量及統(tǒng)計間隔為風速、功率的10 min數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)選取的兩個時間段內(nèi)的氣壓等環(huán)境因素差異不大，對空氣密度影響較小(空氣密度約為1.225 kg/m3)，故功率受環(huán)境因素影響很小，數(shù)據(jù)具有可比性。

4.2 數(shù)據(jù)處理

使用風機功率處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，將選取的改進前后的風速、功率的10 min風機數(shù)據(jù)導入到風機功率處理軟件中，處理軟件自動剔除不可用數(shù)據(jù)、歸集計算各風速下的功率值，得到改進前后功率值及功率曲線。改進前后的風機功率值見表2。

表2 改進前后風機功率值

改進前后功率曲線見圖4。

圖4 改進前后功率曲線

改進后主要風速區(qū)間功率差值對比見圖5。

圖5 改進后功率差值對比圖(3～10 m/s風速區(qū)間)

4.3 改進結(jié)果計算

按照風速區(qū)間對改進后的數(shù)據(jù)進行分類，借助Excel中的COUNTIF運算函數(shù)統(tǒng)計各風速區(qū)間對應(yīng)的風頻，則各風速區(qū)間下的風力分布時間計算公式為：

以8.5～9.5 m/s風速區(qū)間為例，其風頻統(tǒng)計為148次，由于機組實際風速與功率采集時間間隔為10 min，則風力分布時間=風頻統(tǒng)計×采集時間間隔/ 60=148×10/60=24.67 h，即原始數(shù)據(jù)8.5～9.5 m/s風速區(qū)間的分布時間為24.67 h。按照以上方法進行統(tǒng)計、計算，則改進后各風速區(qū)間下風力分布時間統(tǒng)計情況見表3。

表3 改進后風力分布時間統(tǒng)計

改進電量計算公式為：

式中：P為改進電量；Pi為各風速區(qū)間段功率

差值；Ai為各風速區(qū)間段風力分布時間。

以8.5～9.5 m/s風速區(qū)間為例(將8.5～9.5 m/s風速區(qū)間劃分到9 m/s風速下)，9 m/s的風速下改進前后的功率差值為33.92 kW，則改進電量為：33.92×24.67= 836.81 kWh。采用相同的計算方法計算各風速區(qū)間對應(yīng)的改進電量，將各風速區(qū)間對應(yīng)的改進電量進行求和，合計約0.1萬kWh，即2016年9月份通過風向標的改進工作，A03號風機共提升電量約0.1萬kWh。

改進電量統(tǒng)計情況見表4。

表4 改進電量統(tǒng)計

5 結(jié)語

本文重點針對風電場風向標N點位置易發(fā)生偏移、旋轉(zhuǎn)易卡澀等問題，提出了相應(yīng)的改進方法，并通過對風向標改進前后的風機發(fā)電量進行分析，驗證了改進效果明顯，為進一步優(yōu)化風機運行、提升風機發(fā)電量起到了積極作用。

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