风向标测风精度改进对发电量的影响分析

刘 杨

(中国能源建设集团科技发展有限公司，天津 300012)

风力发电机组的偏航控制系统，采用主动对风控制策略，通过安装在机舱尾部的风向标反馈风向角度决定是否偏航，从而实现实时调节风轮的迎风位置，使得机组实现最大风能捕获和降低载荷。机组对风误差不但减少了风能的捕获，同时使得对称的风电机组桨叶运行时受力不均，导致机组的振动与叶片的疲劳，塔架的载荷增大。如何提高风能捕获的精度，提高发电量成为一个重要的问题。本文通过论述偏航系统的组成和功能，剖析偏航系统控制原理。针对目前采用的风向标N点位置易发生偏移、旋转易卡涩等情况，提出了相对应的改进方法，并通过对改进前后的发电量等数据进行对比，验证了本次的改进工作效果明显。

1 偏航基本情况

1.1 偏航系统的组成

偏航系统作为风机控制系统的重要组成部分之一，其主要作用是根据风机的运行状况，正确的调整机组的迎风方向，其合理的控制流程是保证风机正常运行的基础。偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、扭缆保护装置、偏航液压回路、风向标等几个部分组成。

1.2 偏航系统控制原理

偏航系统可分为被动偏航和主动偏航两种类型，大型风力发电机组中采用主动偏航控制，即由调向电机将风轮调至迎风位置。偏航系统是一个自动控制系统，其工作原理见图1。

图1 偏航系统的工作原理

1.3 风机偏航定值设置情况

某厂家的风电机组偏航定值设置情况见表1。偏航定值在设定时对风速进行了规定，以7.5 m/s划分为高风速阀值。当风速仪检测风速小于7.5 m/s时，偏航按照低风速下的偏航角度7.5 m/s时，偏航按照高风速下的偏航角度进行判断偏航。因此，当风向标检测的风向存在偏差时，会对偏航时机产生很大的影响，从而对发电量产生一定影响。

表1 偏航定值设置情况

2 现实工况下风向标存在的问题

2.1 风向标N点位置偏移

风向标N点对应位置见图2，当风向标铁锤与N点重合时风从机舱尾部吹来，风向值为0°，此时对风角度为180°。风向标0～360°，对应的输出电压为0～10 V。

图2 风向标N点对应位置

在长期的运行过程中，由于风向标安装工艺质量、工程施工、人员维护等因素的影响，风向标与风向标支撑架间的螺丝易发生松动。当发生松动后，风向标N点将会发生偏移，影响风向标的测风精度。

2.2 风向标旋转易卡涩

风向标旋转轴承在长期的运行过程中易发生因润滑不够或异物进入引起的旋转卡涩现象(见图3)，旋转卡涩会造成对风精度的误差，影响机组的运行性能。

图3 风向标实物图

3 改进方法

针对风向标N点位置易发生偏移的问题，在改进中，一般采取将风向标重新拆下，清理螺纹并涂抹螺纹胶，将N点重新固定对正。在N点固定拧紧固定螺栓时，一定要保证N点不可有任何错位，固定螺栓要固定可靠。

对于风向标旋转易卡涩的问题，在改进中，一般采取将风向标拆下，将风向标倒立过来(重锤侧朝下，固定螺栓侧朝上)将润滑油滴到轴承内。此项工作应结合日常运行及维护工作进行，值班人员发现风向标值有误差或两个风向标偏差较大时应做好记录，在月巡视或检修维护时做好风向标的检查维护工作，避免因长期的运行造成风向标故障停机。

4 改进效果验证

4.1 变量选取

本次改进效果验证选取某风电场A03号风机，该台风机在2016年12月份完成了风向标N点校准、轴承润滑加油等工作。数据统计时间选取改进前的2016年1－4月份数据及改进后的2017年9月份数据进行比较，数据统计变量及统计间隔为风速、功率的10 min数据。因数据选取的两个时间段内的气压等环境因素差异不大，对空气密度影响较小(空气密度约为1.225 kg/m3)，故功率受环境因素影响很小，数据具有可比性。

4.2 数据处理

使用风机功率处理软件进行数据处理，将选取的改进前后的风速、功率的10 min风机数据导入到风机功率处理软件中，处理软件自动剔除不可用数据、归集计算各风速下的功率值，得到改进前后功率值及功率曲线。改进前后的风机功率值见表2。

表2 改进前后风机功率值

改进前后功率曲线见图4。

图4 改进前后功率曲线

改进后主要风速区间功率差值对比见图5。

图5 改进后功率差值对比图(3～10 m/s风速区间)

4.3 改进结果计算

按照风速区间对改进后的数据进行分类，借助Excel中的COUNTIF运算函数统计各风速区间对应的风频，则各风速区间下的风力分布时间计算公式为：

以8.5～9.5 m/s风速区间为例，其风频统计为148次，由于机组实际风速与功率采集时间间隔为10 min，则风力分布时间=风频统计×采集时间间隔/ 60=148×10/60=24.67 h，即原始数据8.5～9.5 m/s风速区间的分布时间为24.67 h。按照以上方法进行统计、计算，则改进后各风速区间下风力分布时间统计情况见表3。

表3 改进后风力分布时间统计

改进电量计算公式为：

式中：P为改进电量；Pi为各风速区间段功率

差值；Ai为各风速区间段风力分布时间。

以8.5～9.5 m/s风速区间为例(将8.5～9.5 m/s风速区间划分到9 m/s风速下)，9 m/s的风速下改进前后的功率差值为33.92 kW，则改进电量为：33.92×24.67= 836.81 kWh。采用相同的计算方法计算各风速区间对应的改进电量，将各风速区间对应的改进电量进行求和，合计约0.1万kWh，即2016年9月份通过风向标的改进工作，A03号风机共提升电量约0.1万kWh。

改进电量统计情况见表4。

表4 改进电量统计

5 结语

本文重点针对风电场风向标N点位置易发生偏移、旋转易卡涩等问题，提出了相应的改进方法，并通过对风向标改进前后的风机发电量进行分析，验证了改进效果明显，为进一步优化风机运行、提升风机发电量起到了积极作用。

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