【摘 要】 随着我国双碳目标的提出与电力需求增长的双重推动下，风电、光伏等可再生能源将迎来爆发式大规模增长。随着技术发展与迭代，客户对风力发电机组的发电性能和可靠性要求越来越高，对在役风电机组发电能效更加关注，如何提高风电机组发电效率成为行业首要关注点和竞争的关键点。本文从降低故障率、提高可利用率和提升机组发电性能方面深入剖析大型发电机组增能提效方法，经仿真和实际应用验证，这些方法可切实提高风力发电机的发电效率。
【关键词】 风力发电组 发电效率 增功提效 降低故障率
作者：国电南京自动化股份有限公司 王云涛 倪维东 王永锋
来源：《风能产业》2024.06 、《第十届中国风电后市场交流合作大会论文集》
引言
随着我国“双碳”目标的提出，新能源行业走上了迎来快速发展的高速通道。风力发电作为新能源重要组成部分，国内风电机组装机总容量不断增长，截至2022年12月底，全国风电累计装机达到3.65亿千瓦。根据《十四五规划和2035年远景目标纲要》指出，国家将“大力提升风电、光伏发电规模”。预计“十四五”期间我国风电规划装机将达到5.4亿千瓦。随着国内风电行业的技术发展和管理水平的提升，风电机组安全问题已是最基本要求，从业人员更加注重技术细节，开始重视风电机组控制水平和发电效率，如何提高风电机组发电效率则成为关注焦点。这就要求行业相关厂商不断深入研究如何提高风电机组效率和可靠性、降低维护成本，并提供各种实际应用的提效方案。
通常情况下，风电行业内采用等效利用小时数指标来评估机组的发电性能，风力发电机组的等效利用小时=年度总发电量/机组额定功率，以上公式中，对于在役风电机组的额定功率是确定的，直接影响等效利用小时的因素是年度总发电量，影响年度总发电量的因素主要包括以下方面：
（1）气象条件，包括风速、空气密度、湍流强度等；
（2）机组的故障率，机组可靠运行时间；
（3）风电机组自身发电效率情况。
由于上述影响因素（1）属于自然条件，本文仅从影响因素（2）和（3）两个方面进行研究与分析。根据大型风力发电机组实际运行情况，通过大量的理论研究，在降低机组故障率和提升机组自身发电效率两大方向，针对大型风电机组提出以下切实可行的增能提效方案和方法。
1.降低故障率、提高可利用率
目前，我国前期投运的风机主体已开始进入故障多发期，其中占比较高的是旋转类的机械故障，多是由于旋转机械润滑相关，由此可见对于旋转机组部件润滑是非常重要。
根据统计，齿轮箱和轴承损坏不是风电机组故障占比最高的，却是造成风电机组停机时间最长的故障，其中，润滑问题和缺少定期维护是该类故障的主要原因。因此，重视机组重要设备润滑和机组定检维护工作，对于大型风电机组的正常运行尤其重要。
1.1机械部分的润滑
大型风力发电机组需要润滑的部分主要包括主齿轮箱、偏航和变桨齿轮箱及液压控制系统，变桨轴承、偏航轴承、主轴承以及发电机轴承等，其中最关键的部分是主齿轮箱。它作为双馈型、半直驱型机组传动系统的核心，一旦出现故障，主齿轮箱的更换会将带来极大的损失。建议风机设备维护人员挑选性能匹配均衡的润滑油，可以有效保护旋转器件，延长器件寿命，减少停机时间。高效合理的润滑管理，是保证风电机组长期正常运转的基本措施之一。提升润滑管理水平，可以预警设备故障，减少计划外停机时间，提高运维效率，延长设备寿命。
1.2定期检修和日常维护
大型风力发电机组的日常维护和定检工作非常重要，日常的机组的故障缺陷要求能够认真仔细分析问题原因，杜绝盲目复位和待隐患运行，防患小故障演变成重大安全和设备事故；对于定检工作，要严格遵循定检手册和规程要求，杜绝拖延、遗漏定检项目，否则将对机组的寿命和安全造成严重的影响。
应严格按照设备出厂单位的要求与规定，定期进行维护和检修，通过定期维护能够及时发现各部件是否存在问题，出现问题及时解决和处理，降低风力发电机组的故障率，提高设备的使用安全性。
2.提升机组发电性能
结合风电机组相关参数及理论，对机组能效提升进行分析；根据风力发电机输出机械功率与风速有如下关系：
ν为上风向风速，单位为m/s；
Cp为风能利用系数；
A为风力发电机桨叶扫掠面积，单位为m3；
A=πR2, R为风轮半径；
通过上述公式可知，在原风力发电机组不变更机组容量、塔筒高度、叶片长度（不考虑叶片加长）情况下，如果要提升机组发电性能，就要提升风力发电机组在运行时的风能利用系数Cp, 风能利用系数Cp是关于叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数，即：Cp(λ , β),当桨距角和叶尖速比发生改变，Cp值随之变化。图1为某机型的Cp(λ , β)曲线图。
图1：CP-λ曲线
通过图1可以看出每条曲线都是单调的，这样我们在固定的叶尖速比下，通过控制变桨角度，可以使该叶尖速比下风能利用系数达到最大。
可以通过以下方式控制变桨角度提升风能利用系数。
2.1校准叶片机械0度
叶片的0度位置是否安装准确，决定了运行时变桨角度的准确性，对机组的发电性能起着重要作用，以1.5MW某机型为例，按照叶片机械0度偏差2度进行仿真计算，会造成功率曲线性能出现偏差，年发电量偏差1.8%，如图2。
图2：叶片机械0度偏差对功率曲线的影响
为保证叶片零度角准确性，应从以下两个方面进行：1、对新风机生产过程中加强质量管理，保证安装时零刻度的准确性；2、对已运行风场，需落实齿轮间隙对叶片0刻度偏离影响及验证控制系统是否会造成跑桨的可能性，定期对叶片机械0度进行校准工作。
2.2叶片及风机附加件的研究，提高风机性能
对于某些机组叶片存在失速情况或升力不够的情况，可以通过设计风机附加件改善机组失速和升力不足的情况。例如以下设计：
2.2.1轮毂罩设计
合理设计轮毂罩能够有效的提升叶片的升力，提高风能利用率，轮毂罩的设计要充分结合流体力学、空气动力学、结构力学等多学科，要进行充分的建模仿真和测试验证。可以参考某品牌风机的轮毂罩设计，如下图，该设计能有效提升叶片的升阻比，在风洞试验中，约可以提高0.8%的发电性能。
2.2.2叶片涡流发生器
目前行业内，涡流发生器被应用在老旧机组性能提升上，通过计算和研究相关数据表明，涡流发生器在风电叶片边界层的分离控制有良好的效果，可以有效改善叶片翼型的气动性能；叶片涡流发生器设计需要结合具体的叶片翼型和气动性能参数，通常安装在风电叶片叶根到叶中区域的吸力面，其加工工艺及安装位置都会对应用效果产生影响，在加工和安装过程需要严格安全标准和工艺要求进行。图5为某风电机组叶片涡流发生器实际应用。
2.3优化偏航系统
风电机组偏航系统两个主要功能：一是对风功能，追踪风向变化；二是解缆功能，防止发生电缆缠绕。偏航对风的逻辑设计和对风的准确性会影响风电机组的风能转换效率。
传统的偏航控制逻辑无法适用全工况，在湍流强度大、风向变化较大的工况下，易造成风能利用效率的降低，应针对不同工况进行实际的偏航逻辑设计。同时可采用偏航角度误差静态校正和动态校正的方法提高风电机组偏航对风的准确性。
2.4 优化转矩控制策略
2.4.1 自动寻优转矩控制
根据 Cp(λ，β) 函数， 在每个风速的最优尖速比λopt下，如果获取会有一个最佳的变桨角度对应的Cpmax值，为实现风电机组变速运行，最大区间范围追求最佳图片曲线，一般通过改变发电机矩控制发电机转速，结合推导转换公式：
==
式中：
为最优发电机转速；
为发电机转矩；
为最优模态增益。
在额定风速以下，为使机组运行在最佳转速上，可根据空气密度的变化来自动调控最优模态值Kopt，使得风机可以在更广泛的风速范围内跟踪最佳叶尖速比。
最优控制还可以使得风机各个风速段的发电机扭矩变化平滑，不出现跳变，减小机组的振动。
2.4.2恒功率控制
在额定风速以上，采用恒功率控制方式代替原有的恒转速控制方式，通过增加传动链阻尼滤波器来减小发动机扭矩的偏差，使得发动机转速的变化平缓，提高了风机在大风速下输出功率的稳定性和综合利用率。下图为某1.5MW机型风电机组采用恒功率控制的运行曲线。
恒功率实际控制曲线
2.5机组实际运行模型的准确性和自适应算法
目前厂家提供的叶片模型和数据包的准确性有待验证，如果模型和数据包不准确，对于后期仿真载荷、气动性能、控制性能产生影响，控制上无法保证使用的Cp、Lambda值得准确性，从而影响最优转矩的控制，影响机组的发电性能。
对于运行过一段时间的风机，其叶片的翼型会发生形变，造成气动性能的改变，通过仿真研究，如下面两图；能够看出运行过一段时间后的叶片Cp、Lambda、桨距角都发生了变化。
新旧叶片Cp值变化曲线
新旧叶片性能的变化
针对模型准确性的问题，建议通过自适应的控制算法，该控制策略能忽略模型不准确及叶片老化带来的影响，能够在实际运行运行过程中得到最优的性能参数，使机组能够以最优性能运行。
2.6超额定功率和大风拓展切出控制
大型风力发电机组可以在额定风速以后的工况下及超大风工况的利用上进行开发，其中包括超额定功率和超大风切出控制；超额定功率是指机组在风速大于满发风速时能够以超额定功率的状态进行发电，能够提升单机单位小时的发电量，带来发电量的提升，但需要考虑发电机及其他设备的性能参数和寿命；超大风切出控制是指机组在风速大于切出风速一定风速区间内，机组能够在限功率的情况下继续发电，扩宽风电机组对风速区间的利用率，从而提升机组的发电量，但需要对机组的疲劳载荷和部件承受能力进行验证。下图是以1.5MW风力发电机组为例的大风拓展切出原理图。
图9：大风拓展切出原理图
2.7风场的最优发电量的控制研究
前面介绍的策略和方法多是提升单机发电性能，而本控制策略是通过对整个风场的建模及来流风向和风速的测量，通过调整每台机组的控制策略，如果有必要，可以限定某台或某几台的机组的发电量来达到整个风场的发电量最大化，这种控制策略是考虑整个风场的经济利益的最优化。
3.结束语
提高风力发电机组发电性能的策略和方法，不仅限于上述方法。提高风力发电机组的发电性能及经济效益是目前投资方和制造厂商越来越关注的问题，上述内容比较详细的描述了大型发电机组增能提效的多种方法和方案，在实际应用中，具有较强的参考价值。
