風電場發(fā)電效率提升方案

王風蘭 翟紅曉 范曉波 席輝

摘 要：風電場在實際運行期間可以通過技術改造提升發(fā)電效率，根據(jù)國家電投（北京）新能源公司安排，組織有關人員對河南地區(qū)的風電場發(fā)電效率提升問題進行了專題分析研究，現(xiàn)將具體方案匯報如下。

關鍵詞：風電場;發(fā)電效率;提升方案

一、基本情況

澠池丹峽風電場地處河南省三門峽市澠池縣境內，升壓站占地12.62畝，風機、箱變占地15.36畝，總裝機規(guī)模48MW，年上網(wǎng)發(fā)電量9100萬千瓦時，本期裝設24臺單機容量2MW的華儀風力發(fā)電機組，每臺風力發(fā)電機接一臺2300kVA箱式變壓器，將機端690V電壓升至35kV并接入35kV集電線路，經(jīng)2回35kV架空線路送至風電場110kV升壓站，再經(jīng)一臺50MVA主變壓器升壓至110kV，以1回110kV線路接入項目以西的110kV海露站。澠池丹峽風電場于2017年12月23日全部并網(wǎng)，2018年全年發(fā)電量為11083.55萬千瓦時，全年利潤為2365.37萬元，澠池丹峽風電場全場進行改造之后，經(jīng)測算發(fā)電量至少提升5%，全年利潤增加118.28萬元以上。

二、電量提升方案

（一）智慧雙模發(fā)電控制技術

1.工作原理

傳統(tǒng)雙饋發(fā)電系統(tǒng)受制于電機轉子端口電壓，需要在特定的滑差范圍內運行，電機發(fā)電轉速也就被限制在一定的轉速范圍內。而在該轉速范圍內，風電機組的輸出功率大小直接取決于當前電機的轉速和風速。這就使得在風速較低的工況下，如果風機轉速不能達到并網(wǎng)最低轉速，則發(fā)電機不能并網(wǎng)發(fā)電。另外，從葉片的功率系數(shù)Cp曲線和雙饋風力發(fā)電機的功率曲線對比可以知道，傳統(tǒng)雙饋機組在較低風速下，為了保證機組能并網(wǎng)發(fā)電，風機轉速較高，葉片無法工作在最佳葉尖速比下，風機輸出功率較小。

而對于雙模系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)雙饋系統(tǒng)工作的不同風速段，可以采用不同的運行模式，不受滑差的限制，保證系統(tǒng)在可發(fā)電風速區(qū)內始終跟蹤最佳葉尖速比，最大效率的輸出功率。當風機轉速小于傳統(tǒng)雙饋機組的最低并網(wǎng)轉速時，可以通過短接發(fā)電機的定子，使機組工作在異步發(fā)電狀態(tài)，獲得全功率風電系統(tǒng)的性能，提高機組的年均發(fā)電小時數(shù)。當風速較高時，可以切換回雙饋模式。

雙?？刂颇Ｊ侥軌蛴行У慕档腿A儀2MW風機的切入風速，華儀風能公司化德三勝項目2.5MW機組雙模改造后，5m/s風速以下的工況，機組整體發(fā)電量顯著提升2%。功率曲線得到顯著優(yōu)化，切入風速降低至2.5m/s。

2.改造內容

澠池丹峽風電場風機雙模改造工作分為兩個部分，分別是硬件改造和軟件升級。

（1）硬件改造。a.并網(wǎng)接觸器和電機定子間并聯(lián)一個定子短接接觸器（上圖中標注部分），定子短接接觸器額定電流為700A。b.單板增加定子短接接觸器的控制和反饋信號，配電增加定子短接接觸器和并網(wǎng)接觸器硬件互鎖功能，防止并網(wǎng)接觸器和定子短接接觸器同時閉合將電網(wǎng)短接。

（2）軟件升級。a.需要升級主控程序和變流器程序，在主控和變流器通訊協(xié)議中增加一位控制字，由主控變流器發(fā)送雙饋或者鼠籠運行模式，如1代表鼠籠運行模式，0代表雙饋運行模式。b.增加鼠籠異步模式的故障保護，列如修改過速、欠速門限設置，機側過流故障保護，定子接觸器故障保護;根據(jù)國際要求對電網(wǎng)進行無功補償。

3.改造時長

在接觸器采購完成后，華儀風能對風機進行改造，根據(jù)現(xiàn)場實際工作安排，一臺風機改造粗略需2個工作日，全場工作完成需48個工作日。

（二）雙PI控制

1.工作原理

雙PI控制又可稱為“最大風能捕獲技術”，在并網(wǎng)轉速和額定轉速附近采用PI控制，并網(wǎng)轉速和額定轉速之間采用跟蹤最佳尖速比控制的新控制策略，即雙PI控制技術，能夠實現(xiàn)風能的轉換效率最大化，使風機能夠最大程度的吸收風能，從而優(yōu)化風機的功率曲線和提升風機的發(fā)電量。雙PI控制策略解決了傳統(tǒng)靜態(tài)轉速-轉矩表控制的局限性，最大程度使機組處于最佳尖速比運行狀態(tài)，達到提升發(fā)電量，優(yōu)化功率曲線的目的，功率曲線對比如下。

控制策略對比圖

2.改造內容

澠池丹峽風電場風機已經(jīng)采用雙PI控制，對原有控制算法進行優(yōu)化作業(yè)，實現(xiàn)精細控制。此改造僅僅能夠提升一小部分發(fā)電量，效果并不明顯。山西新能源云霧峪風電場風機原本是單PI控制，改為雙PI控制后發(fā)電量提升約12%。

3.改造時長

此方案僅對系統(tǒng)進行升級改造，工期較短，僅為5到7個工作日即可完成。

（三）額定功率提升及智能群控

1.工作原理

額定功率提升：在原有額定功率基礎上，不改變機組結構配置，根據(jù)機組本身傳動載荷、塔筒載荷情況及其他余量，在保證機組安全穩(wěn)定的前提下，綜合評估機組最大負荷裕度，從而確定機組超發(fā)百分比，通過提升機組額定功率，使得單臺機組在額定風速下發(fā)電量提升，從而提升全場發(fā)電量。具有負荷裕度的風機可以實現(xiàn)機組超發(fā)，預計可使發(fā)機組年發(fā)電量增加1%-2%左右。在保證電網(wǎng)容量不存在問題情況下，額定功率提升該項方案使得機組發(fā)電效率能夠發(fā)揮最佳的效果。

智能群控：在保證風場額定總量不超過的前提下，風能條件良好的風機實現(xiàn)超額發(fā)電，填補風能條件不好的風機，從而提升正常發(fā)電量大約2%。

2.改造內容

需完成負荷余量計算工作（華儀風能技術部已經(jīng)測算完成），通過更改控制策略可以達到功率提升，預計能夠提升5%，即額定功率需重新設置為2100kW。升級scada后臺后，增加智能群控的功能，采用統(tǒng)一的控制策略。

3.改造時長

一周內能夠完成風場所有風機控制策略的升級工作。

三、軟切出（切出風速延伸）

（一）工作原理

軟切出是指提高機組的切出風速，通過控制策略的優(yōu)化，使機組能在切出風速以上的條件下繼續(xù)發(fā)電。首先對風場超出設計切出風頻進行統(tǒng)計，若評估風速段的發(fā)電收益可觀，并且機組載荷在設計包絡范圍內，超出設計切出風速的風速段采用降轉速和降功率運行，延長風機運行風速范圍，在高風速增強發(fā)電能力。

（二）改造內容

對風機負荷進行評估，從而確定可實現(xiàn)可實現(xiàn)的發(fā)電量提升率;對風機控制器的風機切出和在切入風速進行重新配置。

（三）改造時長

一周內完成軟切出的升級改造工作。

四、分析與建議

上述三個部分分別對基本情況、改造方案及報價進行說明，整體改造方案分為四個部分，其中主要能夠發(fā)揮作用的改造項分別是雙?？刂坪皖~定功率提升這兩個工作項;雙PI控制和軟切出所起到的作用并不大，并且還需侵占風機在設計之初所留有的裕度。三門峽地區(qū)風速超出25m/s的情況極少，因此軟切出改造對于丹峽風電場不是特別適用;丹峽風電場風機本身采用控制方式為雙PI控制，程序優(yōu)化之后對于發(fā)電量提升較為有限。并且華儀風能針對軟件升級需收取改造費，其中接觸器為硬件改造，需在廠家購買;其余為軟件升級提升，此項為華儀自行研發(fā)，華儀風能公司收取技術費用。

綜上所述，澠池丹峽風電場發(fā)電量提升存在較大空間，改造過程中硬件需添加模塊，其余均為軟件改造，軟件改造價格可與華儀風能公司協(xié)商后降低，整體費用還存在下降空間。澠池丹峽風電場在整體改造采用主要改造措施之后，發(fā)電量能夠提升5%左右，對公司的發(fā)展能夠起到良好的作用，適合立即進行改造工作。