风力发电机组发电性能分析与优化

风力发电机组发电性能分析与优化
摘要：目前我国经济水平和科技水平发展十分快速，风力发电是我国的主要能源。

人们能源需求量的逐渐增加，风力发电由于具有清洁、环境效益好、可再生、装机规模灵活、运维成本低等优点，受到广泛应用，风力发电技术也得以快速发展。

但多数机组在实际运行中的发电能力与项目建设可行性研究报告理论发电小时数相差较大，不能达到项目预期，经营收益低于期望值。

基于此，本文从风电机组运行性能评价、硬件改造和软件控制策略优化三个方面研究提升风电机组发电能力的方法，通过强化功率曲线、能量利用率对标分析和实施增效技改措施全面提升发电量。

关键词：风力发电；增效技改；性能评价
引言
风电作为我国能源结构的重要组成部分，风力发电的经济性受到越来越多的关注，随着风电在能源供应中的比例日益增大，各大风电运营企业不断提高成本意识，致力于减少风电与传统电力间的成本差异，推动产业发展。

对于已投运的风电项目，其运营效率的提高、风机质量和维护水平的提升等都能够起到降低风电成本的作用。

不同风电场根据各自的风资源情况选取相应类型的风电机组。

如果风电场在运营期间的风速低于可研风速，或所用机组与风资源情况不匹配，则会给风电场带来较大的损失。

针对这些风场的风电机组，如何通过能效分析和技术改造，优化、改善机组发电能力，使其能够吸收更多风能、提升发电能力、提高经济效益就显得非常重要。

1风力发电机发电性能评价
性能评价主要针对风电机组的性能构建评价体系，并定期进行统计分析，通常包括发电量、利用小时数、设备可利用率、损失电量、远动率、弃风率、能量利用率等，以便定位风电场发电量损失原因，发现设备性能、健康状态以及运行管理等方面存在的问题。

性能分析的核心在于找到实际发电量与理论可发电量的差距，并进行细化，
因此风资源测量的准确与否，是机组性能分析的关键影响因素，应利用激光雷达
测风仪等校验装置，对不同厂家、不同机型风电机组机场测风设备进行校正，在
此基础上开展在线的性能分析。

图1风机性能分析应用流程图
1.1功率曲线分析
功率曲线是评价风力发电机组性能优劣的一项重要指标，反映风机在各风速
段发电量情况。

功率曲线分析，一方面对比机组实际发电能力与标准值的差别，
验证机组性能是否达到设计值；另一方面分析机组在不同风速段的出力情况。

此外，通过不同厂家同类机组对比，分析不同机组在特定风速段的发电性能优劣。

风电机组在实际运行过程中，实际功率曲线和标准功率曲线存在一定差异。

若实际功率曲线低于标准功率曲线，将会导致机组发电量下降，影响风电场的经
济效益。

通过功率曲线分析，实现风电机组性能优劣诊断。

1.2能量利用率分析
能量可利用率等于实际发电量与理论发电量的比值，是风机发电性能的重要
参数。

在风机运行过程中，风机故障、风机维护、变电站故障与测试、电网限电、功率曲线、风机间尾流等，都会导致理论发电量与实际发电量的差值。

基于风电
机组状态监测平台大数据分析，准确统计分析以上问题导致的风机发电量损失，
为风电机组的升级改造和风电场的利润提升提供基础。

1.3远动率、弃风率指标分析
远动率、弃风率是风电集控生产模式下反映风场设备可靠性和资源利用状况
的主要指标。

远动率是指机组处于集控中心远控状态的时间与机组统计时间之比，当机组出现故障、缺陷或因其他设备故障无法正常运行时，将退出远控，它直接
反映机组在集控状态下的可利用状况。

弃风率是指风场因自身、电网调度或场内
外设备影响导致的限负荷运行或停机所损失的电量与所发电量的比值，它综合反
映了电量营销、设备治理和检修管理等工作的质量高低。

1.4 其他指标分析
其他包括风/光资源、发电量、能耗、设备可利用率等指标，通过生产运营
指标的横、纵两个方向的对标对比，分别在发电企业不用管理层级进行应用，一
方面可以通过指标统计发现问题，另一方面开展各层级间的生产运营指标对标考
核工作。

2 机组改造优化发电性能分析
2.1叶片增效技改
国内针对在役机组的发电量提升进行了较为深入的研究，很多风电场都有发
电量提升技改样机案例，发电量提升的总体效果比较理想。

叶片是风电机组吸收
风能的关键部件，因此叶片增效技改是经济性最佳的发电量提升方式之一，常见
的叶片增效技改方式包括叶尖延长、叶根延长节、加装涡流发生器、加装叶尖小翼、加装格林襟翼、加装扰流条、更换长叶片等。

①叶片延长：即延长叶片做功
的有效长度，增加出力，但显而易见的这种方法也增加了叶片本体特别是叶片根
部的载荷，对叶片根部螺栓的强度校核是必不可少的，同时由于叶片的延长，叶
尖处的线速度更快，因此对延长部分的粘接施工工艺要求相对严格，若粘接不良
很容易造成叶尖飞出等事故。

此外，叶片延长技改比较适用于70叶片型号和77
叶片型号机组，对于82叶片型号机组，由于原叶片叶尖翼型较为尖锐，无法保
证原叶片和延长部分的平顺性，技改效果不佳。

②叶根延长：即在原叶片根部增
加一段圆柱型法兰的方法延长叶片，但叶根部分对气动效率毫无助益，这种方法
实际上是将叶片做功部分向外延伸，从而提升了叶尖速比λ_opt，但叶根延长节
本体强度要求较高，对于一般的1.5MW机组，单支叶片重量增加超过1500kg，施
工成本高，该技改方案在市场应用较少。

③加装涡流发生器：即通过在叶片表面
粘接涡流发生器的方法，延缓在前缘附近的分离流动的产生，改善风能利用系数Cp，理论计算这种方法能够实现约2%-3%的机组发电量提升，但据实践效果通常
只能实现1.5%左右的提升，性价比并不高且提升效果不明显。

④加装格林襟翼：
为了控制翼型后缘的流动情况，国内外在上世纪末就开始了格林襟翼在风电机组
上的应用性研究，并且取得了一些成果，证明了加装格林襟翼的叶片后缘表面流
动减少分离，提高升阻比，提高机组的气动性能，目前这种技术正处于实验当中，效果有待检验。

⑤加装叶尖小翼：即将叶尖延长和叶尖小翼技术进行融合，一方
面叶尖长度增加能够提升叶轮扫风面积，另一方面在叶尖增加特殊的小翼，最大
限度的减少叶尖扰流的消极影响，提升叶片风能利用系数，适合对82叶片型号
机组进行技改。

⑥更换长叶片：即将机组的原叶片更换为同功率等级较长的叶片，增加风机叶轮的扫风面积，技改效果显著。

但需要对机组的安全性进行全面评估，保证机组安全运行。

通过更换长叶片，增加原风轮的捕风面积，提高低风速时段机组的功率，从
而提高机组的年发电量。

相比叶尖加长、加装涡流发生器等其他增功方式，更换
长叶片的增功效果更加显著，同时易于进行安全性评估和控制策略调整。

由风机发电功率的计算公式可知，对于特定风电场来说，其空气密度、风速
等环境因素是不可人为改变的。

在设计叶片更换技改方案时，需根据实际风场风
资源及机组整体健康状态来进行定制化设计，在保证机组安全性的前提下实现电
量提升的目的。

2.2控制策略优化
叶片实施“更换长叶片技改”后，叶轮直径和叶片特性都发生改变，必须
重新计算出最优桨距角和最优转矩控制的OptGain系数。

同时，根据调整后的Bladed风机模型，依据新机组控制器整定原则，整定调节出转矩PI和变桨PI的
控制器参数，生成控制器dll，用于载荷计算，依据载荷结果，重新优化控制部
分参数，经过几轮控制参数整定和载荷计算评估的反复迭代，确保最终的控制参数下的载荷结果满足设计要求。

在确保机组的控制安全前提下，依据风电场全面的普查信息，确定主控程序优化方案，并选配相应的智能控制模块，量身打造精品的发电量提升专版程序。

实现机组一机一案的智能控制，且机组具有在线辨识机组风向偏差的功能，保障机组实时准确对风，吸收更多风能，提高机组的发电能力。

确保机组在低风速区的发电能力平均提高5%以上，在满发以后机组的发电能力平均提高2.7%，年发电量可以提高3%~5%。

结语
对风力发电机的发电能力提升进行系统分析，制定针对性的治理措施和技改方案，将有效的提升机组在低风速段的发电性能，实现增功提效，提升发电企业经营收益。

同时，对于国家特许权项目，具有不限电调度、基数小时数高的政策性优势，提升风电机组发电能力经济性突出，在国家“3060”双碳目标的大背景下，风力发电机组发电性能分析与优化将备受重视，对新能源产业发展起到重要的推动作用。