提高低风速风电场发电量措施研究

高崇伦，吴进钏，张小雷，许霞

（1. 安徽龙源风力发电有限公司，安徽 滁州，239200；2. 合肥电力规划设计院 安徽 合肥，230002）

提高低风速风电场发电量措施研究

高崇伦1，吴进钏1，张小雷1，许霞2

（1. 安徽龙源风力发电有限公司，安徽 滁州，239200；2. 合肥电力规划设计院 安徽 合肥，230002）

近年来，风资源丰富的区域受到资源和规模等因素的限制，人们悄然把目光转向更为广阔的低风速区域，而风电机组发电量直接影响风电场经济效益。安徽来安低风速风电场作为全国首个低风速风电场，至今已运行两年多。本文针对影响低风速风电场发电量的因素，制定风电机组各种优化方案，对比分析来安风电场各项提升发电量测试方案的初步结论，提出进一步提升发电量的改进措施，为今后风电场设计、建设、生产运行提供参考。

提高； 低风速风电场；发电量

0 引言

随着全球化石能源（煤、石油、天然气等）的逐渐短缺以及日益严峻的气候变化形势，风能作为清洁、高效的可再生能源受到世界各国的重视和开发利用[1]。目前，我国风能开发主要集中在风能资源丰富的高风速区域，此类区域风能资源虽丰富，但由于经济欠发达,无法消纳足够的风电资源，风电场常出现弃风现象，需通过建设坚强电网实现大容量的风电送出。风能资源丰富区和较丰富区分别占全国面积8%和18%，主要集中在三北地区(东北、华北、西北)、东南沿海等地，可开发地域面积较小[2]。因此,人们逐渐将视野移向幅远辽阔的低风速区域。

目前，所谓“低风速地区”在国内一般被认为是国家气象局发布的我国风能三级区划指标体系中第三级区域，即为风能可利用区，全国范围内风能可利用区面积约占全国面积的50%[2]。而大规模开发低风速地区风电经验不足，经济效益前景不明，如何提高低风速地区发电量和经济效益成为当今开发低风速地区急需解决的问题。

来安风电场作为全国首座大型低风速风电场，拥有两年多的运行及优化经验，本文以来安风电场运行优化措施为例，寻找更适合低风速风电机组的优化措施，提高低风速地区发电量，为低风速地区风力发电经济效益提供强有力的保障，为今后大面积开发低风速地区提供借鉴经验。

1 风电场基本情况

来安县地处皖东、江淮之间，为江淮分水岭，风能资源较丰富[3]。来安风电场是国内首个低风速风电场，也是安徽省首个风电场。风电场80m风功率密度等级为1 级，风电场年可利用风速小时数较多，70m高度在3m/s－25m/s年小时数为7600h，在4m/s－25m/s年小时数为6600h。来安风电场位于来安县北部低山丘陵地区，分五期建设，总装机容量为247.5MW，共有165台单机1.5MW风电机组，其中132台A87/1500机组 和33台B86/1500机 组。2011年1月6日,风电场首台机组并网发电。由于安徽省风电开发规模小，截至2012年年底，安徽省统调机组约25000MW，其中风电装机规模为300MW，风电装机占比仅为1.2%。而且，风电场附近有600MW琅琊山抽水蓄能电站，电网具有很强的调峰能力。自来安风电场投运以来，所发电力全额上网，就近消纳，没有发生过限出力情况[4]。

2 风电机组运行优化

从2012年开始，风电场开始最佳桨距角、偏航控制策略优化、发电机“双模式运行”改造、更换更大叶片等发电量提升措施项目实验，并于6月开始陆续实施各发电提升措施的实验。各主要优化措施的原理及初步效果说明如下。

2.1 最佳桨距角设定

由于叶片的制造、安装与设计存在误差，在不同环境、不同风速下，风的湍流度、风切变都存在差异。这样将会造成入流角度与设计入流角度发生偏差，进而影响风电机组的风能捕获率。最佳桨距角是通过在不同的风速下设置不同的桨叶角度，通过对比分析后总结出一个适合实验风电机组在不同风速下的最佳桨叶角度设定。

某1号风电机组最佳桨距角优化前后功率曲线对比如图1所示。

依据实测结果，单机发电量提升大约在1.2%左右。

2.2 偏航控制策略优化

偏航是控制风电机组风轮正对来风方向的一种措施，偏航控制的优劣将会对风轮有效的扫风面积产生较大影响。风轮有效的扫风面积是正对来风方向的面积，当风轮轴线与来风方向产生夹角后有效扫风面积为风轮扫风面积的余弦值。另外，由于偏航的动作，风电机组在原方向的惯性也将受到一部分的损失。偏航控制策略是当来风方向与风轮轴向夹角超过一定角度时才发生偏航动作，这个角度称为容差角。在实际运行中，风向变化比较频繁，因而容差角的大小与偏航的频率度之间就存在了矛盾。偏航策略的优化就是要找到一个容差角、风向夹角均值，从而增加风能的捕获能力。

某2号风电机组偏航控制策略优化前后功率曲线对比如图2所示。

依据实测结果，单机发电量提升大约在1.8%左右。为了使提升效果更加明显，下一步计划可以继续优化容差角。

图1 某1号风电机组最佳桨距角优化前后功率曲线对比

图2 某2号风电机组偏航控制策略优化前后功率曲线对比

2.3 发电机双模改造

在目前的双馈发电机技术下，发电机的最低转速为1080r/min，当风速低到不足以维持这个转速时，风电机组将切出。并且双馈发电机在低转速下的效率也很低（低于70%）。通过改变发电机定子的接线方式将双馈发电机改为鼠笼发电机，三分之一变频变为全功率变频。在鼠笼模式下可以降低发电机转速，从而减少机械损耗、提高发电机效率，进而提高在低风速下的发电量。

某3号风电机组发电机双模改造前后功率曲线对比如图3所示。

根据实测结果，单机发电量提升大约在0.9%。从目前的数据上看，在风速为4m/s－5m/s段发电量低于改造前，主要原因为在这个阶段发生发电机模式切换。

目前采取继续优化程序，以使单机发电量得到进一步的提高。

2.4 降低风电机组自耗电

风电机组上有很多的电机需要耗电，通过设置合理的参数控制各电机的开启时机，从而减少风电机组自耗电量。目前主要通过改变发电机冷却风扇启动控制，优化齿轮箱润滑泵的启动策略来降低风电机组的自耗电。

目前测试的两台初步效果单机发电量提升大约在0.36%左右和0.96%左右。

2.5 更换更大叶片

加长叶片，可以增加叶轮扫风面积，从而增加风能捕获。为增强低风速风电机组的发电能力，进一步提高低风速地区风电场的生产水平，选取某4号A87/1500风电机组作为试验机组并更换较长叶片，更换后的机组叶轮直径从87m增加至93m。选取某4、某5两台相邻切海拔相同的两台机组作对比。93m叶轮与87m叶轮机型理论功率曲线对比如图4所示。

某4号风电机组更换93m叶轮后与某5号风电机组（型号A87/1500）功率曲线对比见图5。

图3 某3号风电机组发电机双模改造前后功率曲线对比

图4 93m叶轮与87m叶轮机型理论功率曲线对比

图5 某4号风电机组更换93m叶轮后与某5号风电机组功率曲线对比

从功率曲线可以看出，某4号风电机组更换93m叶轮后功率曲线明显优于某5号风电机组，通过2012年7月22日至2013年3月28日期间的实际功率曲线对比，某4号更换叶轮机组在风速低于5m/s时， 93m叶轮风电机组与87m叶轮功率曲线相当。风速在6m/s以上，93m叶轮风电机组功率开始明显上升。在高风速段发电能力较好，并且较早切入到满发状态，如图5所示。同时，根据风频数据，统计期内5m/s及以上风速出现概率超过68%。通过2012年7月22日至2013年3月28日期间的统计,初步结果认为某4号机组发电能力提升6%左右。更换大叶片成为提升低风速地区风电机组发电量的最直接有效方法。

93m叶轮直径的风电机组将启动风速降至1.5m/s，从而使得占我国风资源30%的超低风速地区的风资源得以有效开发。根据远景公司公开数据显示，其93m叶轮直径机组基于87m叶轮直径机组开发而成，扫风面积增加13.2%，在年平均风速5.5m/s情况下能够提升发电量9%左右[5]。

另外，有消息称，Suzlon公司于2012年6月推出一款型号为S111-2.1MW的风电机组。据称，该机组与同类机组相比能够提高29%的电力输出。而Gamesa发布了一款2.0MW低风速机型，这款叶轮直径达114m的机组与同类型97m叶轮直径机型相比，扫风面积增大了38%[5]。

3 其他优化措施

3.1 机组厂家对风电机组功率曲线进行优化改进

从风电机组运行数据统计分析得出，两个机组厂家的风电机组功率曲线均存在一定的离散性，而且在接近额定风速附近，两种风电机组的实际发电功率曲线均低于保证功率曲线。所以，下一步可以督促机组厂家对机组进一步排查，根据相对功率曲线排名，进一步优化改进。

3.2 发电量较低的机位进行移机

对于发电量较低的机位，主要原因是地理位置风资源高估造成。这部分机位通过机组技术改进和更换长叶片的办法，提高电量非常有限，可以采取移机的办法把机组移到风资源较好的地区或者增加塔筒高度的方法提高发电量。

3.3 加强生产管理，做到应发必发

在低风速风场中，任何一个环节的纰漏对发电量的影响都较大。在来安风电场存在诸如风向标的误差、桨距角不能复位等原因导致的几台发电量明显降低的机组。因此，低风速风电场应实施精细化管理，向生产要效益，加强生产运行分析，优化运行参数和控制策略，重视场用电和风电机组自耗电的管理工作，深入挖潜增效。

[1]Gadian,A,Dewsbury,J. Directional persistence of low wind speed observations[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2004，92（12）: 1061—1074.

[2] 张志英,赵萍,李银凤,刘万琨.风能与风力发电技术[M].北京:化学工业出版社，2010.

[3] 王清,许斌.安徽省风力电场规划[J].电力经济技术，2006,12 (6):48-50.

[4] 吴功高,叶中雄,姚明,等.安徽电网接纳风电能力的分析研究[J].华东电力,2011, 39（6）: 997-999.

[5] 赵靓.低风速型风电机组发展调查[J].风能, 2012（12）:54-56.

Analysis of Measures in Improving the Wind Power Generation Capacity in Low Wind Speed Wind Farm

GaoChonglun1, Wu Jinchuan1, Zhang Xiaolei1, Xu Xia2
（1. Anhui Longyuan Wind Power Co.,Ltd., Chuzhou Anhui 239200, China；
2. Hefei Planning and Design Institute of Electric Power, Hefei Anhui 230002, China）

In recent years, wind resource in rich region is limited by the resources and scale factors, people quietly turned to broader area of low wind speed, wind turbine power generation directly impacted on the economic efficiency of wind farms. As the country's first low speed wind electric field, Anhui Laian low speed wind farms has been running for two years, according to the factors that affect low speed wind farm generating capacity, this paper analyzed various wind turbine optimization programs and the power generation test solutions, then provided a reference for future wind farm design, construction, production and operation.

improve; low wind speed wind farm; generation capacity

TM614

A

1674-9219（2013）08-0056-04

2013-04-17。

高崇伦（1982-），男，学士，助理工程师，主要从事新能源发电技术工作。

吴进钏（1975-）男，学士，工程师，主要从事新能源发电企业管理和技术工作。

张小雷（1985-），男，学士，助理工程师，主要从事新能源发电技术工作。

许霞（1988-），女，学士，助理工程师，主要从事新能源发电技术设计工作。