发电机效率提升的数据分析

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中国风电技术历经几十年的发展，正在初步过渡到成熟发展阶段。现阶段，技术条件以及相关的政策条件都在不断优化与改进。风电企业在发展过程中，实际利润不断缩减。在这样的背景之下，如何提高发电量，切实保障风电企业的经济效益成为未来风电企业发展过程中亟待解决的问题，也是风电企业最关注的问题。可以说发电效率的提升将是促进整个风电产业实现长久、健康、可持续发展的关键。

1风机叶片延长技改相关概述

“十一五”到“十二五”期间，中国风电行业实现了飞速发展，设备由全部进口向国产化转变。但由于是在扩张初期阶段，国产设备相关技术都不够成熟，具体的施工操作、技术选择、设备应用等方面都处于初步探索阶段。初期发展阶段风电场大多塔筒较低、叶片较短，这样必然会造成发电效率比较低。后期，伴随着风电市场的不断发展与技术完善，越来越多的新型技术及新机型出现，从而满足相关风电企业通过加长风轮叶片来增大扫风面积的要求，实现了低风速情况下发电效率的根本提升，这也成为了现阶段风电行业发展的主要趋势与要求。针对一些已投入运营10a以上的老旧机组来说，市场迫切需要提高设备发电效率，而延长技改是性价比最高的手段。如何在高空完成对叶片的加长改造，从而满足低风速发电的基本要求，是必须要深入思考的问题。叶片的加长既需要确保叶片本身在运行过程中的安全，也需要保证叶片加长及加重之后的承载能力。因此，开展相关的叶片延长技改工作势在必行。本项目是对牦牛坪风电场风电机组的叶片进行叶尖延长气动性能改造，同时配合进行控制策略的调整[1-3]。结合应用两种方案后，提升的电量满足目标值（电量提升7%）。技改机组、叶片的型号分别为SE82/1500，SYFB3406。延长技改方案为：叶片延长1.5m，将原始叶片从距离根部39.0m的位置切开，38.5～39.0m为黏接段，延长节长度为3.6m，延长后叶片长度为42.1m，如图1所示。

2风机叶片延长技改基本原理分析

以南方地区为例进行分析。南方地区夏季的风资源相对于其他季节来说比较薄弱，而叶片较短会造成扫风面积相对较小，这就造成夏季时期风资源的大量浪费。在风力发电机组中，叶片是实现风能转换的最主要部件，同时对整个发电机组整体性能的影响非常明显。增加叶片长度可有效增大扫风面积，进而有效提高风机发电功率和效率[4-6]。

3具体技改方案

通过全面分析发电企业的实际情况，结合风力发电组的应用位置，得出发电机组发电功率以及风轮扫风的面积之间是正比例关系。现阶段市场上比较常见的叶片增效技改方式为更换长叶片或进行叶尖延长、加装叶尖小翼、加装增功气动附件。对于加装叶尖小翼，虽然叶尖增加出的小翼可最大限度降低气流造成的影响，但是在该研究的应用场景中效果不好。对于通过加装一些增功附件，确实可以降低叶片气流分离造成的损失，也可以提高升阻比，但是综合实际情况以及不可控因素造成的影响，通常只会实现1.0%～1.5%的合理提高，因此从性价比的角度来看，该方式的效率提升效果并不显著，不具有广泛的推广价值。更换更长叶片，也可有效提高机组发电量，但是涉及到重新采购、运输、吊装叶片等工作，成本较高，成本回收年限长。老旧型号的叶片市场上库存很少，不易采购；另外运输叶片可能还需要重新修路。由此可见，更换更长叶片的性价比不高。相比上述提质增效方案，将叶片加长是性价比最好的方式，施工、运输及成本回收年限都远远优于更换更长叶片的方案，因此，更加受到市场的青睐[7-9]。对在役叶片的叶尖进行延长，增大了叶片的有效扫风面积，同时叶片及机组所承受的载荷也相应增大。为此，必须对延长后叶片的结构及根部螺栓的具体强度进行校准与核对；通过理论计算及试验验证，确保延长节与原始叶片的黏接强度满足设计要求；施工过程中使用合理的工装夹具，确保延长节的黏接胶层厚度满足要求、黏接后叶片的外形光顺。

4增功技改的具体措施

4.1技术角度

4.1.1风资源提升方面

从实际的现场实施情况来看，风资源提升可以从单个机组着手，也可以从风场整体的发展入手。单个机组风资源的利用及改善主要可以从移动机组或加高塔筒两方面入手。移动机组，很显然在技术改进过程中属于比较大范围的操作，并且选择这种方式大多是因为前期发电机组的选址出现了失误，所以大范围移动是必然的。当初步了解项目的地点以及具体落实情况之后，必须分析该项目的必要性，简言之就是分析移动机组是弥补了从前的损失，还是使得损失进一步扩大。移动的相关方案会涉及到风机的整体拆装、土建工程、集电线路、采购等一系列工作内容。而对于另外一种方式———加高塔筒，在实际应用过程中也必须进行比较慎重的考量。该方式比较适用于风切变较大的风场，但是在实际应用过程中也必须全面分析和验证荷载情况以及经济效益。整个风场风资源的提升一般需要针对整个风场资源的合理调配进行分析，采取扇区管理方案，减少机组之间尾流所造成的相互干扰与影响，确保整个风场发电性能最优。

4.1.2空气密度利用优化方面

要想实现风场空气密度利用的最优化，就必须针对机组控制逻辑中的最优增益情况进行优化。现阶段增加发电量主要有提高机位局部年平均风速以及提高机组的功率特性两种途径，因此通过相应的控制策略以及控制算法，可以有效得出最佳的转矩数值，同时也可以通过给定的具体转矩实现整个机组风能的最大化利用与转换。最优模态增益的计算公式为：Kopt=πρR5Cp/2λ3G3，(1)式(1)中，Kopt为最优增益因子；ρ为空气密度，kg/m3；R为风轮半径，m；Cp为最大风能利用系数，表示风力发电机将风能转化成电能的转换效率；λ为最佳叶尖速比，叶尖速度与风速的比值为叶尖速比，最高Cp对应的叶尖速比为最佳叶尖速比；G为齿轮箱传动比。最佳输出功率Popt的计算公式为：Popt=Tdωg，(2)式(2)中，Td为发电机转矩设定值，kN·m；ωg为发电机转速，rad/s。由式(1)可看出Kopt和空气密度ρ之间有着非常密切的关系。但是现阶段多数风力发电机组的控制算法所使用的空气密度往往为固定值，而实际上空气密度本身是在不断变化的，因此采用这样的方式进行计算就必然会导致转矩相关结果的测算出现误差，这对于发电效果是非常不利的。针对上述问题，一般可采集机组实际环境的气象数据，然后基于得到的数据信息将实时空气密度引入控制算法中，这样的计算方式往往比较优化，也可以计算出最佳转矩的数值，有效提升了机组出力情况。因为冬夏两季空气密度变化较大，所以必须要对叶片进行季节性调整，使机组管理工作满足精细化要求，切实提高发电机发电效率[10-12]。

4.1.3扫风面积提升方面

中国早期建设的风场大多处在风资源相对具有优势的区域范围，由于技术条件的制约，这些风场所使用的机组叶片以现阶段的判定标准来看尺寸都偏小，同时捕风能力相对较差。为此，这些区域本身所具有的风资源优势并没有得到比较充分的利用，发电效率偏低成为了常见的情况。因此必须采取相应措施使这些小叶片机组发挥出更大的价值。加长叶片、增大扫风面积，无疑是提高发电量最为有效的一种方式。根据相关学者研究[13]，直径102m叶片的扫风面积要比直径100m叶片的扫风面积增大8%，在同样的风速条件及风资源情况下，机组获取的风能就可能会增加8%，因此相对来说提升效果比较显著，且这种方式在目前市场上的应用比较广泛。通常可采用叶尖延长或叶根延长两种方式。格外需要注意的是，无论采取哪种方式都必须在实施方案之前进行非常严格的数据计算，主要需要计算载荷能力、强度等。在提高机组发电量以及发电效率的同时，保障机组在实行技改方案后可以安全平稳运行，绝不可以增大实际运行的风险，也不可以影响设备使用寿命。改造后具体的效率提升必须通过准确的计算获得，也必须满足经济性、安全性等诸多要求。

4.2管理角度

对于发电机效率的提升来说，单纯的技术保障是远远不够的，科学的管理也是关键。一个风电场的发电能力不只与风资源情况、机组质量有关，稳定优秀的运营维护团队是保障风电场安全运转的前提。更加科学合理的运营和维护确实可以使机组实现更大程度对风力资源的利用，也可以降低设备出现故障的概率，确保机组始终处于健康、安全、稳定的运行状态，最终实现发电量最大化的目标与要求。针对发电机组进行必要的检修与维护非常关键，这就需要相关部门分析该地区的风速情况及限电数据信息，科学合理地规划检修时间，并选择出最为合理的技改时间与技改方案。比如对于不限电地区，可安排在小风期开展技改工作，而针对限电地区则应安排在限电比较严重的月份开展相关工作。要注重各部门之间的沟通调度工作，将电网调度负荷作为前提，依据风电场设备特点，确定风机运行的具体数量以及风电场负荷指标。还需要整合整个风电系统的信息，分析电气设备运行的具体特点与方法，开展电气设备优化工作，这样才能切实提高电能传输效率，降低风电场用电率。

5风机叶片延长技改发电机效率提升相关数据

针对牦牛坪风电场叶尖延长项目，以叶片延长后机组功率曲线实验数据和历史数据为基础依据进行对比分析，通过自身不同时间段的同期历史数据对比可以有效消除机组的线性差异。通过功率曲线对比可看出机组延长技改后，性能有较大的改善，在相同风速条件下，进行了叶片延长技改的机组可显著提高发电量[14-18]。具体可参考表1内容进一步定量分析机组性能的提升（2021年为技改前，2022年为技改后）。21号机组技改前后功率曲线对比如图2所示。结合技改前后功率曲线变化和表1中实际统计发电量提升量分析，技改前后平均功率曲线都有大幅度提升。同风速下的发电功率有明显提升，且在全部验证实验中发电总量有大幅度提升。通过数据分析可知，机组发电量提升效果明显，叶片延长技改能很好地为风电场增值提效。特别是叶尖延长和程序优化的综合方案，该方案性能较稳定，机位点适应性强，收益率较高[13，19-21]。

6结语

客观分析和全面探究风机叶片延长技改实行之后发电机效率提升的情况，可更为全面地分析此种技改在未来的推广趋势和意义。以实际的风电场技改作为案例进行分析，大量数据说明风机叶片延长技改后，发电效率及经济效益明显提高。但也需要格外注意，在发电机组叶片加长的改造过程中，必须进行科学的规划与分析，尤其需要做好相应的防护工作，在确保风电机组可靠性的前提下进行延长作业，保证提高风能利用系数的同时，确保机组设备的使用寿命不受影响，同时安全性不会受损，确保发电机组发电量及风场经济效益都有明显提升。

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作者:张继全 陈建林 吴伟 朱继新 单位:华电 （云南） 新能源发电有限公司