风力发电机组性能分析与评价

[摘 要]风力发电机组作为风力发电的核心设备，其性能的好坏直接关系到整个风力发电系统的效率和稳定性。因此，对风力发电机组进行性能分析与评价，对于提高发电效率、降低成本、推动风力发电产业的持续发展具有重要意义。文章从软硬件两个方面对风力发电机组进行性能分析与评价，并提出了风力发电机组性能优化路径，为进一步提升风力发电质量奠定坚实基础。

[关键词]风力发电机组；性能；软件；硬件

[中图分类号]TM315 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2024）06–0077–03

Performance Analysis and Evaluation of Wind Turbines

WANG Zhijian，ZHAO Guozhong，WANG Zhengren

[Abstract]As the core equipment of wind power generation， the performance of wind turbines directly affects the efficiency and stability of the entire wind power generation system. Therefore， performance analysis and evaluation of wind turbines are of great significance for improving power generation efficiency， reducing costs， and promoting the sustainable development of the wind power industry. The article analyzes and evaluates the performance of wind turbines from both software and hardware aspects， and proposes an optimization path for wind turbine performance， laying a solid foundation for further improving the quality of wind power generation.

[Keywords]wind turbine； performance； software； hardware

1 风力发电机组性能分析与评价方式

1.1 机组软件性能分析与评价

在同一风电场环境下，对比同型号机组在相同工况下的功率曲线散点图，是一项重要的性能分析工作，通过图1可看出，尽管这些机组采用了相同的功率曲线模型，但不同风机所展现出的功率曲线却存在显著差异，这种差异反映了机组在实际运行中的性能表现。

以某风电场的1号和2号风机为例，这两台风机在相同的工况和功率曲线模型下运行，但它们的功率曲线却呈现出明显的不同。2号风机的功率曲线明显靠下，这意味着在相同的风速和工况下，2号风机的发电能力低于1号风机。这种差异可能源于多种因素，如风机叶片的磨损程度、齿轮箱的传动效率、发电机的性能等。通过对这些差异进行分析，可以找出影响机组性能的关键因素，进而制订针对性的优化措施。例如，对于2号风机，可以考虑更换磨损严重的叶片，优化齿轮箱的传动效率，或者对发电机进行维护和升级，提高机组的发电能力，提升整个风电场的运行效率和经济效益。

风力发电机组在运行过程中的发电功率与转速、转矩之间存在着密不可分的关系，这一关系遵循着物理定律：P=Tn/9550。式中，P为功率，kW；n为转速，r/min；T为转矩，Nm；9550为该计算过程中的固定系数。

通过深入分析风力发电机运行过程中的转速和转矩变化，可以发现运行异常的机组。以某风电场的1号和2号风机为例，在同等条件下对两台风机进行监测，它们的转矩表现存在明显不同（图2），这种差异不仅体现在数值上，还可能表现为转矩变化的趋势和稳定性等方面。通过对这些数据的分析，可以进一步判断机组是否存在故障或性能下降等问题，一旦发现问题，应及时采取相应的措施进行修复或优化，确保风力发电机组的稳定运行和高效发电。

在风力发电过程中，风力发电机组通过测风装置精准采集风速与风向信息，然后借助偏航系统灵活调整对风角度，确保叶轮能够正对来风方向，最大化地采集风能，提高发电效率。因此，定期对风力发电机组进行对风偏差的排查，可以及时发现机组在运行过程中出现的对风偏差问题（图3），并进一步分析产生偏差的原因，这些原因可能涉及机械部件的磨损、控制系统的故障、传感器的精度下降等方面，深入剖析这些原因，有针对性地制订调整措施，可改善机组的发电能力，提升风力发电机组的发电量。

在现代风力发电管理中，借助风机SCADA平台，可以更加便捷地进行机组风速和偏航对风角度散点图的排查工作，该平台能够实时获取机组运行数据，绘制出直观的散点图，分析风力发电机组的偏航控制策略是否存在异常，提高排查工作效率的同时，还为优化风力发电机组的性能提供了有力的数据支持[1]。

1.2 机组硬件分析与评价

风力发电机组机舱顶部安装有风速风向仪，该装置负责实时跟踪风速和风向的变化，当风速达到切入风速时，风速风向仪会将信号传递给偏航系统，偏航系统则会根据这些信息调整对风角度，使风力发电机处于最佳的迎风角度。同时，变桨驱动装置也会根据风速的变化，带动变桨轴承转动，使叶片保持最佳的迎风状态，最大限度提高风能转换效率。然而，在实际运行过程中，有时会出现发电效能异常的情况，需要检查风向标的零刻度是否对正机舱正前方，这是因为风向标的准确性直接影响到偏航系统的调整精度。可以在风速达到10 m/s以上时，转动风向标到不同的角度位置（如90°、180°、270°、360°），然后对比机组SCADA系统显示的数据是否与机舱的实际位置一致，如果发现一致性较差，需要及时更换测风装置。

此外，叶片的安装角度和零位角度也是影响发电效能的重要因素，通过检查风机SCADA系统显示的叶片位置与实际叶片位置是否一致，判断是否存在偏差。当系统显示叶片位置为零度时，需要仔细检查3支叶片的零度位置标记和轮毂上的零度位置标记是否存在偏差，如果存在偏差，应及时调整叶片的安装角度和零位角度，确保风机处于最佳的发电状态[2]。不同切入风速下风力发电机组性能优化效果见表1。

2 风力发电机组性能优化路径

2.1 额定功率提升优化

气动设计是风力发电机组性能的核心因素，直接决定了机组捕捉风能的能力和效率，因此，对气动设计进行改进，可以有效提升机组的额定功率。应通过优化叶片形状、调整叶片长度和宽度比例、改善叶片表面的粗糙度等方式，减少气流在叶片表面的阻力，提高气流通过叶片时的效率，这样可以增加机组捕捉风能的能力，提高机组的转速和转矩。还可以通过增加机组的高度、优化塔筒设计等方式，减少风切变和塔影效应对机组性能的影响，提升额定功率[3]。

通过应用先进的控制算法和智能技术，也可提升额定功率。随着信息技术的快速发展，人工智能、机器学习等技术被广泛应用于风力发电领域，应用这些先进的控制算法和智能技术，可以对风力发电机组的运行状态进行实时监测和预测，根据风速、风向等环境因素的变化，自动调整机组的运行参数，使机组始终处于最佳的工作状态。例如，通过智能算法对机组的偏航系统、变桨系统等进行优化控制，使机组能够更准确地跟踪风速和风向的变化，提高风能利用率和发电效率。还可以利用大数据分析技术对机组的运行数据进行深入挖掘和分析，发现潜在的故障和性能瓶颈，为机组的优化升级提供有力的数据支持。

2.2 运行转矩优化

传统的风力发电机组控制策略通常基于固定的参数和模型，难以适应复杂多变的运行环境。而智能控制算法，如神经网络、模糊控制等，能够根据实时数据和环境变化自适应地调整控制参数，更精确地控制运行转矩。例如，利用神经网络算法对风力发电机组的运行数据进行学习和训练，可以建立一个能够准确预测和调节转矩的模型，这样，即使在风速突变或风向改变的情况下，机组也能迅速作出反应，保持最佳的运行转矩，提高发电效率。

通过优化机组结构和材料，也可以提升运行转矩。风力发电机组的转矩输出与其结构设计和材料选择密切相关，改进机组结构，如优化叶片形状、减轻机组重量等，可以减少运行过程中的机械摩擦和能量损失，提高转矩输出。同时，选用高强度、轻量化的材料制造机组部件，也可以减少机组自身的重量和阻力，进一步提高运行转矩。还可以考虑采用新型传动系统和发电机技术，如直驱永磁发电机等，更加高效地转换风能为电能，提升机组的整体性能。

2.3 捕风能力优化

空气动力学在风力发电领域的应用日益广泛，通过优化风力发电机组的气动性能，可以有效提升其捕风能力。应通过改进叶片的气动布局，如采用更加流线型的叶片形状，减少气流在叶片表面的阻力，增加叶片捕获风能的能力。还可以对机组的塔筒进行优化设计，降低塔影效应对机组性能的影响，提升机组的捕风能力，还能在一定程度上减少机组的噪声和振动，提高运行稳定性。风电场布局对机组的捕风能力具有重要影响，合理的布局能够使机组充分利用风场资源，提升整体发电效率。应引入智能化技术，对风电场内的机组进行协同控制，实现机组之间的互补与协调。例如，在风速和风向变化较大的情况下，通过智能算法调整各机组的运行状态，使它们更好地适应风电场条件，提高捕风效率。还可以利用大数据分析和机器学习技术，对风电场内的风能分布进行实时监测和预测，为机组的优化运行提供数据支持。

2.4 硬件优化

发电机的性能直接决定了风力发电机组的发电效率。采用具有更高转换效率和更低损耗的新型发电机技术，如永磁直驱发电机，可以显著提高机组的发电能力。同时，轴承作为机组中承受高载荷和高转速的关键部件，其性能稳定性也直接影响着机组的运行效率，采用高强度、耐磨损的新型轴承材料，可以有效减少轴承的故障率，提高机组的运行可靠性。传感器是获取机组运行状态和环境信息的关键设备，通过引入更加精准和灵敏的新型传感器，如光纤传感器和激光测距传感器，可实时监测机组的振动、温度、风速等关键参数，为机组的状态监测和故障诊断提供准确的数据支持。同时，结合先进的监控系统，可以对机组的运行数据进行实时采集、分析和处理，及时发现潜在故障和性能瓶颈，为机组的预防性维护和性能优化提供有力保障。

3 结束语

虽然风力发电技术具有较大的潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战，而文章提出的风力发电机组性能优化路径可显著提升风力发电效率。未来，需要进一步深入研究和技术创新，不断提高风力发电机组的效率和可靠性，促进其更广泛、更持久地应用于能源生产领域。

参考文献

[1] 张挺仑.双馈风力发电机组的并网特性分析[J].集成电路应用，2023，40（1）：92-93.

[2] 钱宏杰.风力发电机组双馈变频器与故障处理[J].通信电源技术，2023，40（5）：214-216.

[3] 沈彬然.铁路建设近接风力发电机组的防护措施研究[J].路基工程，2023（2）：19-22.