风电机组实际运行功率曲线影响因素分析

发表时间:2019/1/25   来源:《基层建设》2018年第36期   作者:陈碧雨
[导读] 摘要:随着我国风力发电技术不断的发展,风电在电网中渗透率逐渐增加已经成为了一种发展趋势,风电机组运行稳定性也备受人们的关注,发电网络对风电机组的适应能力提出了更高的要求。
        湖北能源集团齐岳山风电有限公司  湖北利川  445400
        摘要:随着我国风力发电技术不断的发展,风电在电网中渗透率逐渐增加已经成为了一种发展趋势,风电机组运行稳定性也备受人们的关注,发电网络对风电机组的适应能力提出了更高的要求。所以,为了提高风电机组电力系统的稳定性,就需要从风电机组的角度来研究影响机组稳定性的因素及实际运行功率曲线产生偏差的原因,并对其加以改进。
        关键词:风电机组;运行稳定性;动态性分析
        前言
        风电机组是我国重要的新能源之一,近几年来,为了响应国家环境保护的号召,我国的风电市场的发展连续大幅度增长,而且对风电有着更高的要求,近期的发展已经从数量转变成了质量,目前,国家对于风电机组并没有统一的规范标准和建设,所以,在不同的风电制造企业,对风电机组的要求和标准都有所不同。
        风力机组使用的风能处于自然状态,风力机的实际运行功率曲线是机组控制器和后台软件在风力机运行过程中形成的功率曲线。风电机组实际运行功率曲线是机组控制器和后台软件在风电机组运行过程中形成的功率曲线。了解影响风力机功率特性的因素,有助于将风力机调整到更好的工作状态,从而提高风力机的输出功率。
        1 实际运行功率曲线绘制数据的筛选
        为了提高风电机组功率曲线评估的准确性,需要将风机的瞬时风速和有功功率数据进行筛选和处理,以保证被分析的是风机正常运行工况下的数据。所以,下列情况下的数据应进行剔除:
        (1)根据从SCADA系统中采集得到的停机统计和持续时间,对同期风机停机前后30min的瞬时风速、有功功率等数据进行剔除;
        (2)当瞬时风速大于切入风速,有功功率仍为0的数据,即机组不工作的数据,应对其数据进行剔除;
        (3)在正常数据点比较密集的功率曲线下方,可能存在一些比较分散的欠功率点,需分析风机是否处于限负荷运行状态,需要对该运行工况下的数据进行剔除。
        2 风电机组实际运行功率影响因素
        本文以某风电场额定功率为1.5MW双馈式风电机组为例,分析风电机组实际运行功率曲线的影响因素并将其作为功率曲线模型的输入变量。
        (1)环境参数中的风速和风向。风是风电机组的“燃料”。风速和风向是风资源的两个基本参数。实验风场位于安徽丘陵地区。当风向变化时,在某些风向扇区由于地形遮挡或其他机组尾流影响,风资源的湍流强度会有较大变化,对风电机组的输出功率有较大影响。
        (2)叶轮变桨系统的桨距角。在额定风速以下,为捕获更多的风能,叶轮的桨距角处在零度位置。当风速达到额定风速以上时,叶片角度向90º方向偏转,减小叶片产生的转矩,控制机组的输出功率在额定功率附近。桨距角的变化直接影响风作用在叶片上的入流角度进而改变叶轮产生气动转矩的大小,与风电机组的输出功率存在密切关系。
        (3)偏航系统的偏航误差。风电机组机舱顶部气象站的风向标检测风向,并计算与机舱轴线的夹角,该夹角即为偏航误差θ。当偏航误差超过一定角度且持续一段时间后,偏航电机带动叶轮和机舱向来流风向旋转对风,保证来流风向与叶轮垂直。但由于风向变化频繁且偏航系统存在较大惯性,偏航误差角θ始终存在。当偏航误差为θ时,叶轮捕获的风能为
 
        式中P0为偏航误差为零时捕获的风能。
        (4)控制系统的叶轮转速和叶尖速比。风电机组的输出功率与机组控制系统也存在密切关系。在额定风速以下时,变速恒频双馈风电机组处于最大风能追踪控制模式。在该模式下,控制系统需要调整发电机的电磁转矩与叶轮产生的气动转矩相适应进而调整叶轮转速,从而使风速与叶片自身旋转速度两者的矢量合成风速对叶片以最佳攻角作用在叶片上,产生最大的气动转矩。因此当风速高时,叶轮转速增加;反之,叶轮转速减小。叶尖速比为叶轮转速和风速的比值,记为λ:
 
        式中:ω为叶片旋转角速度;R为叶轮半径;V为风速。叶轮转速和叶尖速比反映风电机组控制系统的性能。当叶尖速比接近该机型设计叶尖速比时,机组的发电效率高;反之当控制系统控制误差过大或控制参数与机组本地风资源不匹配时,叶尖速比将偏离设计值,导致叶轮捕获风能效率下降,输出功率降低。
        在风电机组SCADA系统采集的数据中还有传动链参数,如主轴温度、齿轮箱油温、齿轮箱高速轴低速轴轴温、传动链振动;发电机参数,如定子三相温度、定子电压电流等变量。由于传动链、发电机、变频器等子部件能量转化效率相对固定,对风电机组的输出功率特性影响较小。
        3 风电机组运行的稳定性分析以及相关的结论
        3.1静态性稳定性分析
        在风电机组运行过程中,增加风电机组无功功率输出可以有效提高线路的输电功率水平。当风电机转速改变时,恒压控制和恒功率可以提高50W电源线的传输功率限制,与数控相比。如果有负载调节变压器,并对其进行抽头式调整,则负载侧节点的电压可以增加。但是很可能整个操作系统的无功功率不足,会降低其他节点的电压。为了提高系统的无功功率水平,保证风电机组运行的稳定性,风电机组应采用数控恒压比恒功率,以解决上述问题。
        3.2动态性稳定性分析
        恒电压控制以及恒功率因数控制两种都是风电机组控制的方式,当电压恒定时,风电机组的电导和电纳随功率因数的变化而变化。当风力机功率恒定时,风电机组的电导和电纳随端电压的变化而变化。例如,变速恒频风力发电机连接到电网的频率转换器,电力电子元件——当前非常敏感,当电网故障,逆变器控制器会立即发现,为了保护逆变器、变速风机会与网格划分,导致大范围的电压降,甚至影响整个系统。所以,风电机组中的电压,需要具有在并网点中的电压,当改机器组运行时,到达20%预定电压能够保持并网运行625ms的低电压穿能力,可以很好的保证风电机组运行的稳定性。通过对风电机组动态性电压稳定性进行分析和研究,可以知道,风电机组可以提高系统的极限切除时间;恒电压控制与恒功率控制相比,有利于暂态后电压的快速恢复,确保风电机组的稳定与安全。
        4 结束语
        总而言之,在风电机组运行的过程中,风电机组的整体性和稳定性起着非常重要的作用,不容忽视,要想保证风电机组运行过程中的安全,就必须要对风电机组的质量进行管理,确保风电机组的稳定性。这就需要各方面的共同努力,作为风电机组制造行业,要有统一的制造标准和体系建设,确保设备的稳定性,制造出质量上乘的风电机组,国家也应该在运行管理、规划建设、并网监测等相关的方面制定出各种安全的标准,才能够使得风电行业有着更为安全稳定的发展。
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