風(fēng)力發(fā)電機組高于切出風(fēng)速的降容增效優(yōu)化運行

胡湘濤，張晉磊，向宗原

(大唐涼山新能源有限公司，四川 普格 615300)

0 引言

隨著我國風(fēng)力發(fā)電裝機容量的不斷升高,并網(wǎng)風(fēng)電的波動性及反調(diào)峰性給電力系統(tǒng)穩(wěn)定帶來了巨大影響。拓展風(fēng)力發(fā)電機組的可利用風(fēng)速范圍、提高風(fēng)力資源的利用空間、維持風(fēng)力發(fā)電機組(以下簡稱風(fēng)機)出力的持續(xù)穩(wěn)定，是當前風(fēng)電行業(yè)研究的重要課題。對高于設(shè)計切出風(fēng)速運行的風(fēng)機進行降容增效，是繼加長葉片、增加機組額定功率等方式之外的另一項提高風(fēng)能汲取和轉(zhuǎn)換效率的途徑。在完備的保護措施下，風(fēng)機在高于設(shè)計切出風(fēng)速的一段區(qū)間內(nèi)可降低機組出力繼續(xù)運行，從而在提高自身發(fā)電效益、拓寬機組的可利用風(fēng)速范圍，為維持風(fēng)電場并網(wǎng)出力穩(wěn)定作出了貢獻[1]。

1 項目概述

大唐海口風(fēng)電場位于海拔3 400～3 600 m的四川省涼山州高原山地上，裝機容量50 MW，由17臺FD108型(設(shè)計切出風(fēng)速為25.0 m/s)和8臺FD116型(設(shè)計切出風(fēng)速為20.0 m/s)雙饋型風(fēng)機混排組成。2018年5月底，最后一批風(fēng)機已并網(wǎng)發(fā)電。為挖掘風(fēng)電機組的發(fā)電潛力、提高設(shè)備可利用率，提出了風(fēng)機高風(fēng)速下降容增效的研究課題，通過參照FD108型風(fēng)機的運行方式，以FD116型風(fēng)機為對象進行研究和論證，使FD116型風(fēng)機在風(fēng)速處于20.0～25.0 m/s之間時(高于20.0 m/s后不停機)，降低機組負荷繼續(xù)運行，從而提高風(fēng)電場發(fā)電效益、拓寬風(fēng)電機組的實際可發(fā)電風(fēng)速范圍(見表1)[2]。由滿負荷停機改為降負荷運行，一定程度上減小了風(fēng)電場并網(wǎng)出力的波動，為保持電網(wǎng)穩(wěn)定做出了貢獻。

2 優(yōu)化方案概述

當?shù)氐娘L(fēng)向、風(fēng)速如圖1所示。當FD116型風(fēng)機在20.0～25.0 m/s風(fēng)速下降容運行時，風(fēng)速高于設(shè)計切出風(fēng)速，通過降低設(shè)定功率(如圖2所示)降低機組出力，使機組在滿足載荷要求、保障安全運行的情況下，在高于原設(shè)計切出風(fēng)速的工況下不再停機，而是通過查找降容風(fēng)速功率表確定當前設(shè)定功率，使機組保持并網(wǎng)運行，提高發(fā)電量。風(fēng)機保護邏輯定值見表2，風(fēng)機降容運行的控制邏輯設(shè)計如圖3、圖4所示[3]。

表1 區(qū)間風(fēng)速為20.0～25.0 m/s的機組發(fā)生小時數(shù)Tab.1 Number of hours within 20.0～25.0 m/s wind speed

圖1 風(fēng)場風(fēng)向玫瑰圖(m/s)

Fig.1 Wind rose diagram(m/s)

圖2 FD116機型設(shè)定功率曲線

Fig.2 Power curve of FD116 generator

3 風(fēng)機安全試驗載荷對比分析

選取了關(guān)鍵部件的極限載荷和疲勞載荷，將機組降容運行載荷與風(fēng)機運行設(shè)計載荷進行對比，確保降容運行時的機組載荷在設(shè)計的安全范圍內(nèi)。

Fig.3 Gale shutdown logic of wind turbine

圖4 風(fēng)機回切并網(wǎng)運行邏輯

Fig.4 Wind turbine back-cut grid operation logic

3.1 極限載荷對比

分別選取Mxy，Myz作為葉根、靜態(tài)輪轂、旋轉(zhuǎn)輪轂和偏航軸承在x-y向與y-z向的極限載荷，分析結(jié)果見表3。降容運行時的關(guān)鍵部件載荷小于正常運行載荷，機組運行在設(shè)計安全范圍之內(nèi)。

表3 極限載荷對比結(jié)果Tab.3 Ultimate load comparison results

3.2 疲勞載荷對比

選擇載荷系數(shù)m=4，x向、y向、z向的疲勞載荷為Mx，My,Mz，對關(guān)鍵部件進行對比分析，結(jié)果見4。

表4 疲勞載荷對比結(jié)果Tab.4 Fatigue load comparison results

結(jié)合表3、表4，暴風(fēng)期間降容運行后極限載荷與疲勞載荷低均于正常運行載荷的設(shè)計值，機組降容運行無安全風(fēng)險。

4 優(yōu)化方案產(chǎn)生的效益

4.1 經(jīng)濟效益分析

機組降容運行能夠有效提升發(fā)電量。以年平均風(fēng)速為6.5 m/s的發(fā)生時間為例，對降容增效后的海口風(fēng)場進行年新增發(fā)電量的估算(見表5)，風(fēng)電場在生命周期內(nèi)可新增收益約108 362.4元。

4.2 行業(yè)效益

風(fēng)機高于切出風(fēng)速的降容增效的實施，拓寬了風(fēng)電機組的可利用實際可發(fā)電風(fēng)速范圍，減小了風(fēng)電場對電網(wǎng)的波動范圍，為風(fēng)電機組保持電網(wǎng)穩(wěn)定作出了貢獻，提高了風(fēng)電機組的競爭力。

表5 ?？陲L(fēng)電場年新增發(fā)電量和收益的估算Tab.5 Estimation of increasing power generation and revenue in Haikou Wind Farm

5 結(jié)束語

經(jīng)過論證和研究，設(shè)置適當?shù)墓β手噶睿o以組態(tài)完備的并經(jīng)過測試試驗的保護邏輯，使運行風(fēng)機的各部件的極限和疲勞載荷都在機組設(shè)計的安全范圍之內(nèi)，風(fēng)電機組在高于設(shè)計切出風(fēng)速下進行降容運行是安全可行的。

降容運行增加了風(fēng)電機組的發(fā)電量，提高了風(fēng)電機組的可利用時間，也為風(fēng)電場保持并網(wǎng)出力穩(wěn)定做出貢獻，今后可以成為風(fēng)電場提效增發(fā)的一個重要研究發(fā)展方向。