风电机组二次开发及智能降载技术的应用

随着近年来风电技术的不断发展，全球的风电装机容量在近几年中得到了显著的提高^[1]。国内风电行业发展初期，由于设计经验不足且偏于保守、机型选择空间小、风电场可研和微观选址及载荷评估较为粗糙等多方面原因，导致机组选型存在偏差，造成部件安全余度的极大浪费。近年，全球风速逐年下降，风场存在风速评估偏高，实际发电性能偏低现象；并且随着风电场规模化发展，存量风场附近大规模装机造成风速下降，使风电场发电性能达不到预期目标，同时，国内各发电企业（集团）开展风电机组提质增效的技改工作方兴未艾，特别是针对早期的存量低效机组的提质增效工作更是作为加强生产运行管理工作的重点；此外，伴随上网电价逐渐下降的趋势，用于弥补由于电价降低带来的成本压力，也激发了老旧机组的提质增效需求。掌握风电机组性能情况，并针对性的进行优化，经济意义十分重大^[2]。

服役10年以上的老旧机组提质增效符合风电技术的发展趋势，机组的叶片、发电机、齿轮箱、变流器等关键部件性能正在逐年下降，部分地区机组部件性能无法满足现场实际风况。系统性的对老旧机组进行二次开发是目前风电行业亟需解决的技术难题。

风机控制系统中一般采用的主要控制技术，为常规的PID控制、自适应控制、鲁棒控制等技术^[3-6]，而结合先进传感器感知叶片和机组部件特性，引入到智能降载控制过程中应用于10年以上老旧机组的控制策略，仍是存在空白。

华锐SL1500-77叶片改90叶片及智能降载控制系统技术研究过程中必须进行深入科学的前后评估工作，其中主要包含 风资源、机械传动部件、电气部件、变桨系统、变流系统、模型载荷、塔筒及基础等评估，方案的具体内容如下表1所示。

表1 智能降载控制系统技术研究方案内容

老旧机组进行华锐77叶片改90叶片进行二次开发的应用，预计每年提质增效25-30%的经济性收益。

风资源评估

风资源是风电场开发、建设及后期升级改造时最基本的条件，准确的风资源评估是机组选型和风电机组安全运行的前提。风资源评估的目的是分析现场的风能资源状况，分析现场测风数据在时间上和空间上的代表性。

由于风资源情况关系着风场发电能力，同时也关系着风机机组安全性，因此前期的风资源评估就显得尤为重要。同时，准确的评估风资源分布，可以使我们对风场发电能力进行较为准确的预测，是我们进行风电场开发或者改造评估时的重要依据，也是风场安全运行的重要保障。

风场风资源评估主要步骤

1）收集风场内或者附近尽可能多的测风塔数据，及周边气象站数据，并依据标准要求，对测风塔测风数据进行处理，整理气象站多年气象数据，分析测风数据的代表性，并进行订正；

2）利用CFD计算方法，根据现场地形计算场区内定向风特性；

3）根据测风塔测风数据及现场风机坐标，计算风机点位处风资源及风电场风图谱，并输出发电量参数，及湍流、入流角等安全性评估参数。

模型载荷评估优化

风电机组载荷评估是机组安全评估的关键步骤之一。载荷计算主要依据风资源评估参数作为输入参数，采用优化后的降载控制策略，根据标准规范进行仿真工况定义，计算得出当前机组的各关键部件载荷并进行后处理对比分析，确定机组的计算载荷满足设计要求。输出叶片、轮毂、变桨、偏航、塔筒、基础等部件的对应载荷用于结构强度校核。

机组传动链评估

SL1500Puls机组传动链评估主要内容包括

1）设计强度分析

对传动链中各部件进行设计强度分析，评估各部件的安全性，确认从设计上，能满足二次开发要求；

2）部件实际运行情况分析

SL1500Plus机组二次开发对传动链中影响最大的是变桨系统。对现场运行10年左右的变桨轴承、变桨驱动齿轮箱进行运行数据分析，评估变桨轴承与驱动是否满足机组二次开发后的可靠性要求，针对零部件不同状态，采取定制化的应用方案。

3）传动链强度复核及设计包括如下内容

变桨系统复核 变桨轴承、变桨驱动齿轮箱、变桨电机等；

齿轮箱系统复核（主轴、主轴承内置） 齿轮箱、齿轮箱减震、齿轮箱冷却系统、主轴承、主轴等；

偏航系统复核 偏航轴承、偏航驱动齿轮箱、偏航电机、偏航制动器等；

高速轴制动、联轴器复核等。

变桨系统评估

由于轴承运行磨损、后期升级更换长叶片等原因，变桨系统可能出现额定功率无法满足要求，进而出现变桨电机过热、变桨驱动器过载或其他变桨类故障，严重威胁机组安全。

通过载荷模型仿真与现场实际运行情况相结合进行验证，变桨系统容量升级能够有效的解决上述问题，提升了整机的抗载能力同时，使机组本身运行在更加安全的环境中。

通过更换大容量的变桨变频器、变桨电机，并且更换与之相匹配参数的变桨程序与主控程序，来满足机组自身的实际需求，大大减少变桨过载类故障的产生，在保证机组安全的同时，提升机组可利用小时数，提升机组发电量，具体如下

通过主控及变桨程序升级，在匹配新变桨变频器、变桨电机参数的同时加入最新功能，更好的保证机组的安全。

电气部件评估

功率提升的目标

发电机额定转速 1800rpm，额定功率1600kW;

机组功率因数范围 ±0.95，电网电压范围 690V±5%；

电气评估的意义

机组中提供输出功率的电气部件主要包括发电机、变流器、变桨驱动系统、箱变等，电气部件的温升是决定其工作能力的核心参数。在二次开发的过程中，需要适时提升机组的额定功率，所以需要发电机、变流器和箱变的温升和散热情况进行分析评估；同时，在将机组叶片更换为长叶片后，变桨驱动系统的功率输出也将增大，也需要对其进行温升评估和散热分析。

智能降载技术应用

1）精准优化控制参数

结合现场机组的模型辨识测试，识别机组的特征频率和点位运行特性，精准化调整控制回路参数，使机组设计形成有效闭环，并有效降低机组的载荷。

图1机组控制优化设计流程图

2）先进的降载控制技术

基于湍流度的双PI逻辑和变桨非线性增益逻辑，有效防止机组超速，动态平衡功率特性和载荷特性；并综合使用多种变桨避障逻辑，可以有效降低机组载荷；塔筒振动加阻策略和动态推力消减逻辑可以有效降低机组塔筒载荷。

图2降载控制策略框图

先进传感器应用

激光测距技术

激光测距传感器应用，对风机叶片进行3D成像，并对在运行中的机组叶片进行姿态识别，实现叶片形态实时监控，净空值计算，实现过程如下图。

图3激光测距技术实现过程

通过安装在发电机支架底部的激光测距传感器，对风电机组叶片进行毫秒级扫描，每10毫秒返回24万坐标、反射强度等数据，经过边缘计算终端对数据进行清洗和运算分析，对特征区域特征提取及定量计算。将特征区域原始图像灰度化处理，对形变区域灰度值进行增强，达到增强形变区域的目的，使得叶片状态特征更加容易进行标记。依据叶片特征点的标记及实时数据的计算，实现叶片外形监测、叶片结构失效预警，净空值计算，负风剪切的监测，保护机组的安全。

塔筒和基础评估

1）塔筒评估

塔筒检查分析的目的是保证能够提供风电机组持续安全可靠的支撑结构，保证技改后风电机组的稳定运行。通过测量实际塔筒参数校正计算模型，提取技改后载荷，分析评估塔筒频率、屈曲、强度、疲劳、法兰、螺栓力矩等，现场勘察塔筒结构无损、防腐分析，检测塔筒螺栓分析，对塔筒结构可靠性做全面的系统分析评估。

2）基础评估

基础检查分析的目的是保证能够提供风电机组持续安全可靠的下部支撑结构，保证技改后风电机组的稳定运行。通过校核原有基础及基础预埋结构件的安全，现场查验基础的安全状态。对基础的结构可靠性做全面的系统性评估。

叶片联合设计

技改方案中使用的新型叶片型号为RDKJ43.5型叶片，叶片设计方案中，克服目前国内1.5MW-82/90机组叶片结构及施工工艺差的问题，采用先进的铺层工艺使叶片具备更加卓越的气动性能。

锐电科技有限公司已于2020年7月份完成SL1500-77机组二次开发样机示范，并且取得权威认证机构船级社对二次开发方案的认证报告。技改样机已稳定运行9个月，提取现场的运行数据对比效果如下，其中功率曲线中的风速采用Scada记录的风速仪采集风速

图4技改后机组功率曲线

由图4可看出，SL1590Plus改造24号机组的发电性能显著提升，满发风速以下各风速区间内功率均显著提升，提升比例约在20-35%之间；满发功率由1500KW提升至1600KW，让机组满发阶段具备超发10%的发电能力；24号机组平均风速4.3米，依据《IEC61400》功率曲线评估法，可以推算出机组发电性能提升约27.5%。

系统性的对服役10年以上的老旧机组进行二次开发，系统性的评估风机的基础、塔筒、传动链、变桨系统、电气等关键部件，可以评估出机组部件的健康状况，量身定制机组局部的部件改造可以让机组性能质的提升。基础、塔筒、传动链强度的复核及加强，更换全新的叶片、变桨系统、性能优异的控制系统，并采用全新的智能降载技术及先进传感器技术的应用，可以让机组更加健康、安全、高效。

老旧机组系统性的评估，既可以有效评估出部件的健康状况，又可以为机组延寿提供技术支撑。二次开发系统性方案的实施，也将是风电后市场提质增效经济性收益，性价比较高的一种有效方案。

参考文献

[1]韦威.清洁发展机制促进新能源的发展[J].电力与能源,2011,1(1):7-9.

[2]孙元章，吴俊，李国杰．风力发电对电力系统的影响[J].．电网技术，2007,31(20):55-62．

[3]石一辉，鲁宗化巧勇等．变速风力机稳定性研究［Ｊ］．电网技术，２０１１，３５（５） １５２－１５８．

[4]徐大平，肖运启，目跃刚．基于模糊逻辑的双馈型风电机组最优功率控［Ｊ］．太阳能学报，２００８，２９（６） ６４４－６５１．

[5]周博然．含风电的机组组合模型及算法研究［D］． 杭州:浙江大学，2015．

[6]茅靖峰，吴博文，吴爱华，等．风力发电系统最大功率跟踪自适应鲁棒控制［J］.电力系统保护与控制，2018，46(22) : 80-86．

作者 锐电科技有限公司 陈兆圣，辛理夫，张爵

华锐风电科技（集团）有限公司 吴俊辉，韩烨，刘志

张家口博德玉龙电力开发有限公司 王占玉，周伟

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