风力发电机组发电性能分析与优化

王德朋

摘  要：经济的快速增长增加了能源消耗，阻碍了煤炭资源的无限开发。雾霾和温室气候的趋势越来越强烈。调整优化能源结构，分阶段减少煤炭，降低石油在能源消费中的比例，大规模发展可再生能源，大幅提高低碳无碳能源在生产和消费中的比例，对于应对低碳经济和当前全球趋势具有尤为重要的意义。风力发电是可再生能源领域最成熟、最经济的选择之一。可再生能源包括太阳、水、风、生物质、波浪、潮汐、海洋温差能。太阳和风能是最大的发展潜力，并由世各地长期的技术进步投入运用。风力发电技术随着成熟度的提高和产能的增加，我国的风力发电有了很大发展。经过几十年的快速增长，我国风力发电达到了前所未有的水平，对风力发电机组性能的需求不断增加。因此，有必要分析风力发电机的能量功率，寻找相对于发电能力设备优化功率的方法，从硬件和软件方面探讨风力发电的能力原因，并进行研发。

关键词：风力发电;机组发电;性能分析

当今世界，发展可再生能源变得越来越重要，风力发电低碳能源和清洁能源在电力系统中的份额也在增加，然而，与常规能源形式相比，风能的生产成本相对较高。分析机组的发电性能和提高机组的发电能力可以提高机组的运行效率，提高机组发电成本与化石燃料发电成本之间的竞争力

一、风电机组结构

风力发电机将风力发电转变为电能两个阶段：第一，风力发电机将风力发电转变为机械能。第二，发电机将机械转化为电能，以达到发电目标。根据叶片的数量，机组可以分为单、双、三和多叶片。根据地面相对于不同风轮旋转轴的位置，轴可以分为垂直轴和水平轴风电机组。机组功率分为三种：定桨距、主动失速型、变桨变速型，具体取决于电动机电流控制的类型。水平轴风能是今天的主要市场。根据传动齿轮箱是否具有速度功能，它分为双馈、直驱型和混合型的半直驱风电机组。当前双馈电机市场份额较大，风作用于叶片，产生叶片的旋转力矩，风力转化为旋转机械。与此同时，齿轮箱的增长和风轮驱动也提高了转速。

1.叶片：风以一定的速度向叶片的特定攻角冲击，增加叶片和整个风轮旋转。转动风轮旋转轮毂，联接主轴的轮毂的轮毂将扭矩传递给主轴，以实现风力和机械能量转换。

2.轮毂：装配联接到主轴与叶片。

3.主轴：风轮产生的扭转力矩传递给齿轮箱。

4.齿轮箱增速：将低速（主轴）提升到更高的转速，旋转电机并转发转矩。齿轮箱增速主要是多级结构。

5.制动：当发电机获得制动时，制动钳拧紧制动盘，使整个风轮传动系统制动。

6.散热器：降低机舱温度，特别是齿轮箱和发电机的温度。

7.测量仪风速、风向：运行中风向的测量值。

8.发电机：风力发电机将机械设备转换为电能。

9.控制柜：风力发电组的控制可以发出启动、停止、偏航等命令。并监控风力发电组的电网、环境和状态。

10.塔架：作用是车厢支撑机舱。

11.变桨系统：根据风速改变螺旋桨角度，改变机组气动力特性，风轮吸收风能控制。

12.偏航系统：调整风轮的状态。主要部件包括电机、风向标、大齿轮和减速电机。控制器计算一段时间内风向的恒定方向，并发出控制偏航电机的命令，使舱轴线与风向和稳定方向跟踪变化。

二、风力发电机发电能力评估

用于风力发电机发电的小时数是衡量项目当前性能的重要标准。这是年发电量与风力发电机功率之比。对于单台机组，单台风机的年功率与计算机功率之比。可以开始分析单台风机的等效风能。通过將单台机组发电量加上功率损失（例如功率上限、故障和维修）转换为等效的使用小时数，在风场中对同一单元类型的等效使用小时数进行分类，并将实际风速与等效的使用小时数进行比较，以相同的速度进行。风机功率曲线是风力发电机组功率的最直接表示。因此，功率曲线可以有效地分析风机的健康和能量指标。由于环境因素，例如尾流、空气密度和湍流，风力发电机组运行期间的实际工作功率曲线可能不精确地对应于功率曲线，而单台风机的实际功率曲线与标准功率之间的差异是风机发电能力功率的直观表示造成的。由于机组的实际能量曲线，单台风力发电机一年的理论功率可以计算，风速和功率为10分钟。利用10分钟平均风速和合同保证性能曲线，估算出单台风力发电机的年转速，并建立分布图。分析风力发电机组实际运行功率曲线与合同保证功率曲线之间的关系计算发电是功率曲线的一致性。对组功率曲线进行排序和一致性分析，筛选出功率曲线的异常一致性组。

三、机组发电性能提升

1.优化的额定功率。评估风场风机的风气候条件和风机负荷，以确定风机能否获得额定性能。根据类型，性能可以得到很大提高。必须基于机组整个生命周期中的安全性和可靠性，并具有IEC WT 01和GB/T 18451.1的具体要求。

2.优化转矩运行。发电机和变频器之间增加了一个转换器，用于转换发电系统的拓扑结构，改善了相应的运行控制和逻辑。根据机组的状态，电路拓扑会发生智能变化，以保证风机始终处于最佳电源状态。该变频器基于控制的基本性质，通过改变相应的控制算法和操作策略，间接增加了风能生产能力，提高了风轮低风速段采集效率，减少了整机传动链的摩擦损失。

3.优化捕风能力。测风装置自适应控制的偏航上风向自动校准，并自动更新每个风机的传递函数。通过接受风向的自然变化，根据发电情况确定最佳偏航位置，并相应地调整气流偏移，以提高风力精度。根据IEC标准，许多风力发电机的风速定为20-25米/秒。如果风力发电机速度根据工作状态和结构特性而增加，可以捕获更多的风能，并显着增加发动机功率。但是，发动机负荷是由于风力发电机的严重疲劳以及负荷计算和叶片变桨角度的变化。

4.优化硬件。叶片是风力发电机的重要部件。每个叶片都有单独的变桨系统。机组运行时，叶片倾角由变桨驱动装置调节，以叶片变桨实现、安全保护和功率控制。采用气动原理，风机叶片气动优化设计可以有效降低风荷载，增加风机功率。当风机运转时，但是随着叶片吹过表面形成叶片正面和反面之间的压力差。

这产生了风轮旋转的升力，就像飞机机翼一样。我们能否从飞机机翼设计中获得灵感，以提高风机叶片气动力性能。我们可以利用飞机机翼的气动力学原理，简单地升级叶片，安装低展弦比小翼段作为涡流发生器。根据叶片的设计和隔离区的形状，通过利用延迟气流分离叶片，可以提高叶片的强度和发电能力。当然，视风力的结构和承载能力而定，可以通过安装叶尖或根部以及适当延长叶片长度来大大提高风力发电能力。但是，叶片延迟需要进行严格的载荷计算和长期的安全检查，由于后处理，这一成本相对较高。因此，风电能力的硬件优化不仅要考虑计划的可行性，还要考虑运行的总体成本。

系统分析风力发电能力，寻找增加风力发电能力、科学升级风力发电能力、提升机组的硬件和软件发电能力。但是，为了优化风电机组的发电能力，必须严格分析发电机组的安全校核，并充分分析发电机组发电能力优化的安全性、有效性和经济性。

参考文献：

[1]刘作敏.风力发电机组综合改造技术验证[J].应用能源技术，2020（12）：48-52.

[2]熊军.风力发电机组功率曲线状态评估方法[J].电子元器件与信息技术，2020，4（04）：152-153+157.

[3]吕晗.运用SCADA数据分析预测风电设备的健康状况[J].风力发电，2019，502）：43

[4]李晗.基于风机健康系数的风电设备状态监测方法[J].可再生能源，2019，33（7）：1027～1032