风力发电机组综合改造技术验证

风力发电机组综合改造技术验证

高明亮

华电新疆发电有限公司新能源分公司，新疆乌鲁木齐

摘要：在我国进入21世纪快速发展的新时期，经济在迅猛发展，社会在不断进步，风力发电非常迅速，然而很多已建风场因为风资源变差影响到了发电效果。为了能够获得更好的风力发电效果，文中，就某风场进行的国内首创塔筒增高和叶片加长综合改造科研验证进行了总结。通过验证结果，可知该方案可以用作已建风场风资源变差的补偿解决方案。

关键词：风力发电;风场;风资源

引言

风力发电是当前可再生能源领域中最成熟、最有商业化发展前景的发电方式之一。随着风力发电相关技术的不断成熟、设备的不断升级，我国风力发电行业取得了突飞猛进的发展。截至2020年年底，我国风电装机2.81亿千瓦，新增并网装机7167万千瓦，其中陆上风电新增装机6861万千瓦、海上风电新增装机306万千瓦。经过十几年的快速发展，我国风力发电行业取得了前所未有的成绩，对于风力发电机组发电性能的要求也越来越高，所以针对发电能力相对较低的机组，急需找到优化其发电能力的方法，本文通过对风力发电机组发电能力的分析，从硬件和软件两个方面排查影响风机发电能力的原因，研究提升风力发电机发电能力的方法。

1升级改造原则

为了提高老旧机型的运行水平，为保证被改造风电机组的安全，减少对机组发电量的影响，同时使改造具有一定的先进性和系统内的示范性，特确定以下改造原则：（1）尽量缩小改造范围，利用系统原有部件，缩短改造时间，使改造费用科学合理；（2）针对风力发电机组运行中的主要问题进行针对性修改；（3）改造的核心控制器件通用性和扩展性强，技术上选用目前先进产品，采购上保证硬件有多家供应商可供选择。在不脱离原有电气设计的基础上，现提出将倍福K-Bus模块升级为E-Bus模块的方案。并且为利用原有线路、保证系统的稳定性和方便后续的维护工作，针对原K-bus模块型号特点，选用接线基本一致的E-bus模块型号进行替换。

2风力发电机组综合改造技术验证

2.1对叶片根部的圆柱端进行修型处理

叶片内外圈翼型选型设计时，内圈即靠近叶根的部分内部区域主要是以结构特性设计为主，而在外圈靠近叶尖的区域则是以气动特性为主的翼型设计方案。为了增加叶片做功能力的有效长度并且使得机舱头部导流罩部位的空气流动自然绕流，在根部也有采用适当的、钝后缘的翼型的方法。应当注意这样的叶根设计方法虽然增加了叶片做功能力但是无疑增加叶片本身的尤其是叶片根部的载荷，所以对叶根连接螺栓等部位的强度校核是必不可少的。

2.2硬件优化

叶片是风力发电机组的关键组成部分。每个叶片都配置一套独立的变桨系统，机组运行期间，通过风机变桨驱动装置，调整叶片角度，实现叶片变桨，安全保护和功率控制。利用空气动力学原理，对风机叶片的气动优化设计，可以有效降低风力发电机组的载荷，提升风机发电能力。风机在运行过程中，风并非断横切风流“推”动风机叶片，而是吹过叶片表面形成叶片正反面的压差，从而产生升力令风轮旋转，这与飞机的机翼有相似之处，我们是否可以在飞机机翼设计上获得灵感来改善风机叶片的气动性能呢？飞机机翼上安装有涡流发生器，它是一种低展弦比小翼段，当襟翼偏转使襟翼表面上的气流过分离时，涡流发生器利用旋涡从外部气流中将风能带进附面层，加快附顶层内气流流动，防止气流过早分离，并且当气流以一定的迎角流过小翼段时，在一侧加速，另一侧减速，在小翼段两侧造成压力差，因而在小翼段的端部生成了很强的翼尖旋涡，所以可以借鉴飞机机翼的空气学原理，在风机叶片进行简单的升级改造，安装类似涡流发生器的低展弦比小翼段。基于叶片的设计和分离区域的外形，通过延迟气流从叶片分离，可以提升叶片升力，增加发电量。当然，根据风力发电机的结构和承载能力，安装叶尖或叶根延长段，适当的延长叶片长度也可以很明显地提高风机的发电能力。但是，叶片的延迟需要经过严格的载荷计算，并经过长时间的安全验证才能实施，并且由于属于后期改造，费用也会相对较高。所以对风机发电能力进行硬件的优化除了考虑方案的可行性外，还要考虑风机运行的综合成本。

2.3关键部件设计

本次科研目标风机为某国内品牌1．5MW风机，为引进机型，其原始部件具备性能提升的设计余量。在本次科研验证之前，同款机型已经完成叶轮直径77米加长至82．5米的科研验证，验证时间超过1年。综合风场后评估结果和风机安全性分析结果拟定技改范围，依据IEC61400系列标准，评估关键部件能力，并进行相应的设计、改造及升级。本次科研关键部件设计包括:(1)塔筒升高设计:将现有风机，保留原高度塔筒段，在塔筒最底部增加一段新塔筒段，连接基础和原始塔筒。同时，进行塔筒内部新电气和机械内装设计。轮毂高度由原始的61．5米提升到77．5米，高度提升26%。(2)叶片加长设计:用新的82．5米直径叶片替代原风机的77米直径叶片，改造后叶轮捕风面积增加14．8%。(3)主控系统升级:原风机的主控系统采用查表式功率曲线方法，新的主控系统引入功率曲线动态寻优办法，优化载荷，提升发电能力。(4)基础加强:利用原始基础，采用基础局部加强工艺，进行基础承载能力加强，加强后基础承载能力提高约30%。经过系统级别的加强后，使风机薄弱部件能力大幅提升，满足风力发电机剩余生命周期的各项要求，达到改造目标。

2.4机组硬件分析排查

风力发电机机舱顶部安装有风速风向仪，跟踪风速和风向的变化，通过偏航系统调整对风角度，使风力发电机处于最佳的迎风角度，当检测到风速达到切入风速时，变桨驱动装置带动变桨轴承转动，使叶片保持最佳的迎风状态，从而使风能转换为电能，所以对于发电效能异常的机组，首先应检查风向标零刻度是否对正对机舱正前方，并在10m/s以上风速时，动转风向标到90°、180°、270°、360°位置，对比机组SCADA显示数据是否与机舱位置一致，对一致性较差的测风装置进行更换。其次，排查叶片安装角度和零位角度，在风机SCDAD显示叶片位置为零度时，检查三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，如果存在偏差也会影响风机的发电能力。

结语

文中阐述了针对某风场进行的国内首创塔筒增高和叶片加长综合改造科研验证。本次科研的主体是将原有风力发电机进行叶片加长及塔筒增高综合技改，结合主控系统升级研发、新塔筒段研发、风机基础能力加强。本次科研采用激光雷达测风方式进行风机SCADA风速校正，进而验证叶片加长造成的功率曲线变化和轮毂提高引起的风频分布变化。本次科研的成功有利于提高存量风力发电机的风电利用率，进一步提高风场经济效益及新能源产业的社会效益，有利于提高再生能源在系统中的比例，改善能源结构。可有效改善老旧风场的发电量落后局面，通过提升风能利用率使老旧风场焕发青春济建设中发挥更大的作用。

参考文献

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