风电机组功率曲线的优化研究

刘保松，刘晓光

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

风电机组功率曲线的优化研究

刘保松，刘晓光

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

针对实际功率曲线与理论功率曲线在风速8～12m/s之间相差较大的情况，本文提出：通过提高额定转速或者提前变桨两种措施优化了功率曲线，减少了实际功率曲线与理论功率曲线的差距。同时通过对载荷的进一步分析，确认机组的强度不会受两种措施的影响，从而论证了这两种措施可行性，为功率曲线优化提供一种切实可行的方法。

功率曲线；载荷分析；额定转速；空气密度

0　引言

目前，大多数风电机叶片在风场均出现功率曲线问题，具体表现为：冬夏季节功率曲线差别较大，冬季实际功率曲线与标准功率曲线一致性较好，夏季实际功率曲线与标准功率曲线一致性较差。通过对叶片气动性能以及风场运行条件的分析，可知夏季空气密度较低，机组在高风速段（8～12m/s）运行尖速比较低，而这些叶片在低尖速比区域风能利用系数Cp值却比较小，因此现场功率曲线在高风速段比较差。同时这些叶片的失速特性也比较差，空气密度较低时易失速，也会造成功率曲线的下降[1～5]。

1　功率曲线优化的方法

为了改善目前机组的功率曲线，可以从两方面入手：1）提高额定转速，将机组尽可能运行在较高的尖速比区域；2）提前变桨，或者增加最小桨矩角。

1.1提高转速

对于不同空气密度采用不同的额定转速，具体数值见表1。

表1　不同空气密度下的额定转速

以某厂家A型叶片（叶片长度为37.3m）和某厂家B型叶片（叶片长度为37.5m）作为研究对象。

1.1.1空气密度≤1

对于风场空气密度比较低的季节可以将转速提高到19rpm。图1～图3分别给出A叶片、B叶片提转速前后功率曲线比较。

图1　空气密度0.8时提转速前后功率曲线比较a）A叶片b）B叶片

图2　空气密度0.9时提转速前后功率曲线比较a）A叶片b）B叶片

图3　空气密度1时提转速前后功率曲线比较a）A叶片b）B叶片

表2　提转速前后年发量对比

1.1.2空气密度1～1.1

对于风场空气密度比较低的季节可以将转速提高到18.5rpm。图4分别给出A、B叶片提转速后的功率曲线比较。

1.1.3空气密度1.1～1.225

对于风场空气密度比较低的季节可以将转速提高到18rpm。图5分别给出A、B叶片提转速后的功率曲线比较。

图4　空气密度1.1时提转速前后功率曲线比较a）A叶片b）B叶片

表3　提转速前后年发量对比

图5　空气密度1.225时提转速前后功率曲线比较a）A叶片b）B叶片

表4　提高转速前后年发量对比

总之，根据风场不同月份或者季节的平均气压和温度，计算得到空气密度来决定提高后的转速。此外，如果因发电机和变流器的不同配置而限制转速的提高，可以通过结合其他方法，如提前变桨或者增加最小桨矩角来解决功率曲线问题。

1.1.4提转速机组载荷分析

为了对提转速后机组的载荷进行分析，这里分别对三种极端情况进行了载荷计算。

Case 1：考虑最高转速，即转速为19rpm、空气密度1kg/m3；

Case 2：考虑最大空气密度，即转速18rpm、空气密度1.225 kg/m3；

Case 3：标准设计，即转速17.3rpm、空气密度1.225 kg/m3。

下面分别将case1与case3的极限和疲劳载荷进行了对比，以分析在case1的情况下机组载荷的变化对部件的强度影响。

在空气密度为1kg/m3，将机组的额定转速提高到19rpm后，机组各部件的极限载荷基本没有增加，因此静强度没有问题。

表5　极限载荷case1/case3

表6　疲劳载荷case1/case3

对比疲劳载荷，发现叶根Mx和塔底Mx比标准设计载荷分别大了6.7%和3.21%，但是将叶根载荷与1.5MW机组的包络载荷对比为95.33%，同时塔底等效疲劳载荷Mx比My小，所以对比My为92.03%，因此机组各部件的疲劳强度也没问题。

下面分别将case2与case3的极限和疲劳载荷进行了对比，以分析在case2的情况下机组载荷的变化对部件的强度影响。

在空气密度为1.225kg/m3，将机组的额定转速提高到18rpm后，对比极限载荷，叶根Mxy增加5.3%、轮毂Myz增加5.87%、塔顶Mxy增加1.12%，但是将这些载荷与1.5MW机组包络载荷对比分别为71.59%、104.4%、100.4%。因此再通过分析相关部件的静强度余量，最终确定机组的静强度没有问题。

表7　极限载荷case2/case3

表8　疲劳载荷case2/case3

对比疲劳载荷，发现叶根Mx增加3.09%、轮毂My增加6.82%、塔顶My增加5.56%、塔底My增加3.69%，但是与1.5MW机组的包络载荷对比叶根为92.1%，塔底为95.63%，同时将轮毂和塔顶增加的载荷进行相关部件的疲劳强度余量分析，最终确定机组各部件的疲劳强度也没问题。

1.2提前变桨

当现场空气密度比较低时，风轮叶片在高风速段进入失速状态。因此也可以通过提前变桨或者增加桨矩角来改变叶片在该运行区域的特性。

图6给出了不同空气密度下提前变桨的功率曲线对比。

图6　不同空气密度下提前变桨前后功率曲线对比

从上图可知，当空气密度从0.8增加到1时，提前变桨的效果越来越小。因为提前变桨虽然可以避免失速，但是它也会限制不失速情况下的功率。因此，只有当现场的空气密度比较小时，提前变桨才是有效改善功率曲线的措施。并且对于不同的现场情况，需要不断调试提前变桨的控制参数才能得到好的结果。所以该措施需要在现场不断调试控制参数。

2　结语

以上对机组额定转速和提前变桨控制参数的优化，改善了功率曲线。同时通过对载荷的进一步分析，确认机组的强度不会有影响。此外，从叶片角度来分析，可以建议增加涡流发生器（VG）来提高发电量，但是这些必须综合考虑成本和现场可行性。

在风场的实施阶段，还必须结合发电机和变流器的具体配置来决定转速的提高程度。如果因变流器过压的影响限制转速的提高，在低空气密度条件下，可以结合提前变桨来优化发电量。

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Optimization Research of Wind Turbine Power Curve

LIU Bao-song，LIU Xiao-guang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Under large difference situation between the actual power curve and the theoretical power curve at wind speed from 8 to 12m/s，this paper puts forward：the gap between the actual power curve and the theoretical power curve has reduced by takeing the two kinds of measures，which improving the rated speed or changing the pitch in advance to optimize the power curve.Meanwhile，Through further analysis study on the load to confirm the strength of the unit will not be affected by this two kinds of measures，it demonstrates that the measures are feasibility，and it provides a feasible method for power curve optimization.

power curve；load analysis；rated speed；air density

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.009

TM315

B

2095-3429（2015）05-0036-05

刘保松（1986-），男，江西上饶人，硕士，工程师，从事风电机组优化分析工作。

2015-08-19

2015-09-12