【摘 要】 隨著我國雙碳目標的提出與電力需求增長的雙重推動下，風電、光伏等可再生能源將迎來爆發式大規模增長。隨著技術發展與迭代，客戶對風力發電機組的發電性能和可靠性要求越來越高，對在役風電機組發電能效更加關注，如何提高風電機組發電效率成為行業首要關注點和競爭的關鍵點。本文從降低故障率、提高可利用率和提升機組發電性能方面深入剖析大型發電機組增能提效方法，經仿真和實際應用驗證，這些方法可切實提高風力發電機的發電效率。

【關鍵詞】 風力發電組 發電效率 增功提效 降低故障率

作者：國電南京自動化股份有限公司 王云濤 倪維東 王永鋒

來源：《風能產業》2024.06 、《第十屆中國風電后市場交流合作大會論文集》

引言

隨著我國“雙碳”目標的提出，新能源行業走上了迎來快速發展的高速通道。風力發電作為新能源重要組成部分，國內風電機組裝機總容量不斷增長，截至2022年12月底，全國風電累計裝機達到3.65億千瓦。根據《十四五規劃和2035年遠景目標綱要》指出，國家將“大力提升風電、光伏發電規模”。預計“十四五”期間我國風電規劃裝機將達到5.4億千瓦。隨著國內風電行業的技術發展和管理水平的提升，風電機組安全問題已是最基本要求，從業人員更加注重技術細節，開始重視風電機組控制水平和發電效率，如何提高風電機組發電效率則成為關注焦點。這就要求行業相關廠商不斷深入研究如何提高風電機組效率和可靠性、降低維護成本，并提供各種實際應用的提效方案。

通常情況下，風電行業內采用等效利用小時數指標來評估機組的發電性能，風力發電機組的等效利用小時=年度總發電量/機組額定功率，以上公式中，對于在役風電機組的額定功率是確定的，直接影響等效利用小時的因素是年度總發電量，影響年度總發電量的因素主要包括以下方面：

（1）氣象條件，包括風速、空氣密度、湍流強度等；

（2）機組的故障率，機組可靠運行時間；

（3）風電機組自身發電效率情況。

由于上述影響因素（1）屬于自然條件，本文僅從影響因素（2）和（3）兩個方面進行研究與分析。根據大型風力發電機組實際運行情況，通過大量的理論研究，在降低機組故障率和提升機組自身發電效率兩大方向，針對大型風電機組提出以下切實可行的增能提效方案和方法。

1.降低故障率、提高可利用率

目前，我國前期投運的風機主體已開始進入故障多發期，其中占比較高的是旋轉類的機械故障，多是由于旋轉機械潤滑相關，由此可見對于旋轉機組部件潤滑是非常重要。

根據統計，齒輪箱和軸承損壞不是風電機組故障占比最高的，卻是造成風電機組停機時間最長的故障，其中，潤滑問題和缺少定期維護是該類故障的主要原因。因此，重視機組重要設備潤滑和機組定檢維護工作，對于大型風電機組的正常運行尤其重要。

1.1機械部分的潤滑

大型風力發電機組需要潤滑的部分主要包括主齒輪箱、偏航和變槳齒輪箱及液壓控制系統，變槳軸承、偏航軸承、主軸承以及發電機軸承等，其中最關鍵的部分是主齒輪箱。它作為雙饋型、半直驅型機組傳動系統的核心，一旦出現故障，主齒輪箱的更換會將帶來極大的損失。建議風機設備維護人員挑選性能匹配均衡的潤滑油，可以有效保護旋轉器件，延長器件壽命，減少停機時間。高效合理的潤滑管理，是保證風電機組長期正常運轉的基本措施之一。提升潤滑管理水平，可以預警設備故障，減少計劃外停機時間，提高運維效率，延長設備壽命。

1.2定期檢修和日常維護

大型風力發電機組的日常維護和定檢工作非常重要，日常的機組的故障缺陷要求能夠認真仔細分析問題原因，杜絕盲目復位和待隱患運行，防患小故障演變成重大安全和設備事故；對于定檢工作，要嚴格遵循定檢手冊和規程要求，杜絕拖延、遺漏定檢項目，否則將對機組的壽命和安全造成嚴重的影響。

應嚴格按照設備出廠單位的要求與規定，定期進行維護和檢修，通過定期維護能夠及時發現各部件是否存在問題，出現問題及時解決和處理，降低風力發電機組的故障率，提高設備的使用安全性。

2.提升機組發電性能

結合風電機組相關參數及理論，對機組能效提升進行分析；根據風力發電機輸出機械功率與風速有如下關系：

ν為上風向風速，單位為m/s；

Cp為風能利用系數；

A為風力發電機槳葉掃掠面積，單位為m3；

A=πR2, R為風輪半徑；

通過上述公式可知，在原風力發電機組不變更機組容量、塔筒高度、葉片長度（不考慮葉片加長）情況下，如果要提升機組發電性能，就要提升風力發電機組在運行時的風能利用系數Cp, 風能利用系數Cp是關于葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數，即：Cp(λ , β),當槳距角和葉尖速比發生改變，Cp值隨之變化。圖1為某機型的Cp(λ , β)曲線圖。

圖1：CP-λ曲線

通過圖1可以看出每條曲線都是單調的，這樣我們在固定的葉尖速比下，通過控制變槳角度，可以使該葉尖速比下風能利用系數達到最大。

可以通過以下方式控制變槳角度提升風能利用系數。

2.1校準葉片機械0度

葉片的0度位置是否安裝準確，決定了運行時變槳角度的準確性，對機組的發電性能起著重要作用，以1.5MW某機型為例，按照葉片機械0度偏差2度進行仿真計算，會造成功率曲線性能出現偏差，年發電量偏差1.8%，如圖2。

圖2：葉片機械0度偏差對功率曲線的影響

為保證葉片零度角準確性，應從以下兩個方面進行：1、對新風機生產過程中加強質量管理，保證安裝時零刻度的準確性；2、對已運行風場，需落實齒輪間隙對葉片0刻度偏離影響及驗證控制系統是否會造成跑槳的可能性，定期對葉片機械0度進行校準工作。

2.2葉片及風機附加件的研究，提高風機性能

對于某些機組葉片存在失速情況或升力不夠的情況，可以通過設計風機附加件改善機組失速和升力不足的情況。例如以下設計：

2.2.1輪轂罩設計

合理設計輪轂罩能夠有效的提升葉片的升力，提高風能利用率，輪轂罩的設計要充分結合流體力學、空氣動力學、結構力學等多學科，要進行充分的建模仿真和測試驗證。可以參考某品牌風機的輪轂罩設計，如下圖，該設計能有效提升葉片的升阻比，在風洞試驗中，約可以提高0.8%的發電性能。

2.2.2葉片渦流發生器

目前行業內，渦流發生器被應用在老舊機組性能提升上，通過計算和研究相關數據表明，渦流發生器在風電葉片邊界層的分離控制有良好的效果，可以有效改善葉片翼型的氣動性能；葉片渦流發生器設計需要結合具體的葉片翼型和氣動性能參數，通常安裝在風電葉片葉根到葉中區域的吸力面，其加工工藝及安裝位置都會對應用效果產生影響，在加工和安裝過程需要嚴格安全標準和工藝要求進行。圖5為某風電機組葉片渦流發生器實際應用。

2.3優化偏航系統

風電機組偏航系統兩個主要功能：一是對風功能，追蹤風向變化；二是解纜功能，防止發生電纜纏繞。偏航對風的邏輯設計和對風的準確性會影響風電機組的風能轉換效率。

傳統的偏航控制邏輯無法適用全工況，在湍流強度大、風向變化較大的工況下，易造成風能利用效率的降低，應針對不同工況進行實際的偏航邏輯設計。同時可采用偏航角度誤差靜態校正和動態校正的方法提高風電機組偏航對風的準確性。

2.4 優化轉矩控制策略

2.4.1 自動尋優轉矩控制

根據 Cp(λ，β) 函數， 在每個風速的最優尖速比λopt下，如果獲取會有一個最佳的變槳角度對應的Cpmax值，為實現風電機組變速運行，最大區間范圍追求最佳圖片曲線，一般通過改變發電機矩控制發電機轉速，結合推導轉換公式：

==

式中：

為最優發電機轉速；

為發電機轉矩；

為最優模態增益。

在額定風速以下，為使機組運行在最佳轉速上，可根據空氣密度的變化來自動調控最優模態值Kopt，使得風機可以在更廣泛的風速范圍內跟蹤最佳葉尖速比。

最優控制還可以使得風機各個風速段的發電機扭矩變化平滑，不出現跳變，減小機組的振動。

2.4.2恒功率控制

在額定風速以上，采用恒功率控制方式代替原有的恒轉速控制方式，通過增加傳動鏈阻尼濾波器來減小發動機扭矩的偏差，使得發動機轉速的變化平緩，提高了風機在大風速下輸出功率的穩定性和綜合利用率。下圖為某1.5MW機型風電機組采用恒功率控制的運行曲線。

恒功率實際控制曲線

2.5機組實際運行模型的準確性和自適應算法

目前廠家提供的葉片模型和數據包的準確性有待驗證，如果模型和數據包不準確，對于后期仿真載荷、氣動性能、控制性能產生影響，控制上無法保證使用的Cp、Lambda值得準確性，從而影響最優轉矩的控制，影響機組的發電性能。

對于運行過一段時間的風機，其葉片的翼型會發生形變，造成氣動性能的改變，通過仿真研究，如下面兩圖；能夠看出運行過一段時間后的葉片Cp、Lambda、槳距角都發生了變化。

新舊葉片Cp值變化曲線

新舊葉片性能的變化

針對模型準確性的問題，建議通過自適應的控制算法，該控制策略能忽略模型不準確及葉片老化帶來的影響，能夠在實際運行運行過程中得到最優的性能參數，使機組能夠以最優性能運行。

2.6超額定功率和大風拓展切出控制

大型風力發電機組可以在額定風速以后的工況下及超大風工況的利用上進行開發，其中包括超額定功率和超大風切出控制；超額定功率是指機組在風速大于滿發風速時能夠以超額定功率的狀態進行發電，能夠提升單機單位小時的發電量，帶來發電量的提升，但需要考慮發電機及其他設備的性能參數和壽命；超大風切出控制是指機組在風速大于切出風速一定風速區間內，機組能夠在限功率的情況下繼續發電，擴寬風電機組對風速區間的利用率，從而提升機組的發電量，但需要對機組的疲勞載荷和部件承受能力進行驗證。下圖是以1.5MW風力發電機組為例的大風拓展切出原理圖。

圖9：大風拓展切出原理圖

2.7風場的最優發電量的控制研究

前面介紹的策略和方法多是提升單機發電性能，而本控制策略是通過對整個風場的建模及來流風向和風速的測量，通過調整每臺機組的控制策略，如果有必要，可以限定某臺或某幾臺的機組的發電量來達到整個風場的發電量最大化，這種控制策略是考慮整個風場的經濟利益的最優化。

3.結束語

提高風力發電機組發電性能的策略和方法，不僅限于上述方法。提高風力發電機組的發電性能及經濟效益是目前投資方和制造廠商越來越關注的問題，上述內容比較詳細的描述了大型發電機組增能提效的多種方法和方案，在實際應用中，具有較強的參考價值。