基于技改应用场景的风电机组扇区管理研究_李秀琳.pdf

技术|Technology92 风能 Wind Energy 在风电场技改过程中,风电机组制造商应评估所选机组在技改点位的适用性。若技改点位适用性较差,即认为存在一定的安全风险,多数情况下会选择放弃问题技改点位,只在满足要求的技改点位实施技改方案。然而,由此往往导致风电场的风能资源无法得到充分利用、风电场效益增加不明显,甚至因无法找到适用机型而造成技改项目搁置等问题,大大阻碍了风电后市场的发展。针对此类情况,国内外多采用扇区管理技术对机组运行时的风速、风向区域进行管控。合理的扇区管理方案能够使机组规避过大湍流风区或极大风速风区,并最大程度地保障机组发电量。目前,针对扇区管理技术的研究多集中在风电机组运行时面临风险的后期补救过程,而这一过程所能实施的扇区管理措施有限,且扇区管理后的机组安全性仍难以得到验证。因此,应将扇区管理技术与风电场适用性评估相结合,在适用性评估阶段完成危险风区的规避任务。此外,当机组出现此类运行故障时,可采用二次评估的方法降低故障风险,提高机组安全性。由于老旧机组多采用 GL IV-1-420031、IEC 61400-11999 和 GB 18451.12001 设计标准,这些设计标准仅在特征湍流强度 I15处与实际吻合,其余风速段均采用理论公式计算湍流强度,使得难以结合各风速段实际湍流强度开展风电机组适用性评估,进而导致扇区管理技术难以实施。正因如此,此类老旧机组的技改应用场景易受到技改风电场风能资源环境的限制,造成技改效果不佳等问题。突破部分老旧机组无法实施扇区管理的瓶颈,并研究扇区管理在技改风电场适用性评估过程的运用,均对扩宽老旧机组技改应用场景至关重要,且有利于促进风电后市场的发展与进步。鉴于目前关于老旧机组扇区管理技术的基于技改应用场景的风电机组扇区管理研究文|李秀琳，岳健，胡奕萍，张辰源，徐子璐，白立军研 究 较 少,且 GL IV-1-42003、IEC 61400-11999 和GB 18451.12001 设计标准在正常湍流风模型中的定义及相关计算公式均一致,本文仅以依据 GL IV-1-42003 设计标准开发的机组为研究对象,在现行仿真基础上打破既有工况湍流强度设定,并结合扇区管理技术,大大提高老旧机组技术改造的可行性。技改机组扇区管理技术概述扇区管理作为风电场运行策略的一种,主要分为基于机组降载的扇区管理、基于发电量最优的扇区管理、基于环保要求的扇区管理等,其目的是保证风电场的最优运行方案,避免极端风况、上风向尾流过大、噪声/光影/鸟类迁徙等影响机组安全、发电量、环保的诸多因素对风电场正常运行造成干扰。其中,尤其以基于机组降载的扇区管理最为重要,应用最为广泛,本文也将以此角度进行分析。基于技改应用场景风电机组扇区管理的各风速段下平均湍流强度计算公式如下：I=F1T1+F2T2+FnTnF1+F2+Fn （1）式中,I 为平均湍流强度；Fi为风频矩阵某风速段对应的某个扇区的风速频率（全扇区全风速段）；Ti为湍流矩阵某风速段对应的某个扇区的湍流值；n 为扇区数量。目前,基于机组降载的扇区管理控制策略主要为停机,即当风电机组在由于地形或其他因素导致湍流强度较大的扇区运行时,在一定的风速段停机。在载荷评估过程中,会将机位点处的湍流矩阵、风频矩阵、发电量矩阵等作为分析基础,并计算各风速段平均湍流强度与设计湍流强度之间的差值。如果平均湍流强度1:GL IV-1-42003 Industrial services.Part 1：Guideline for the certification of wind turbines.Chapter 4：Load assumptions（Edition 2003 with Supplement 2004）Technology|技术2023年第02期 93 大于设计湍流强度,则需要对该风速段的湍流进行扇区管理。通过分析该风速段下各扇区的湍流强度与风频分布,将该风速段下较高的湍流值删除,重新计算整体湍流强度并将计算结果用于载荷计算。为保证发电量,扇区管理的强度不宜过大,即扇区管理对发电量的影响越小越好。以某机组为例,该机组在 12.522.5m/s 的风速段出现了湍流过大的情况,因此,需要对其进行扇区管理。将影响较大的扇区湍流值删除后,平均湍流强度满足机组设计要求,发电量损失约为 1.51%。该机组扇区管理前后的湍流情况如图 1 所示。扇区管理在实际风电技改项目中的应用我国北方某风电场位于山地区域,具有较好的风能资源,由于地势地形条件复杂,机位点湍流强度普遍偏大。该风电场现役机组为金风科技 S50/750 机组,为提高风电场效益,拟采用金风科技早期根据 GL IV-1-42003 设计标准设计的一款 B 类机组,即 GW87/1500 机组对原机位点机组进行替换,拟技改点位为 K61K66,6 个点位的风能资源参数如表 1 所示。由于拟技改点位湍流强度均大于机组设计湍流强度,易导致机组各部件所受的极限载荷和疲劳载荷超过设计值,从而造成机组关键部件断裂、振动剧烈,甚至倒塔等极端安全事故。为验证扇区管理在老旧机组技改过程中应用的效果,本文通过 Blade3.82 进行仿真计算,模拟该机组在不同工况下的运行状态,并以此为基础,提取分析各关键部件载荷情况。一、模型建立GW87/1500 机组风轮直径为 86.74m,是常见的三叶片式风电机组,单叶片长度为 42.2m。采用的塔架为三段式钢塔结构,塔筒高度为 73.8m,塔筒截面如图 2 所示。二、工况设置本次仿真模拟根据 GL IV-1-42003 的设计要求,并（a）扇区管理前 图1 扇区管理前后湍流强度示意（b）扇区管理后表1 北方某风电场K61K66机位点风能资源参数机位点/（kg/m3）Vave/（m/s）I15mean/degV50/（m/s）K611.2226.420.1650.10.532.1K621.2246.30.1710.121.931.5K631.2256.030.1770.131.330.15K641.2276.110.1780.131.330.55K651.2286.240.1730.12131.2K661.2286.120.1690.120.930.60.350.30.250.20.150.10.050湍流强度风速/（m/s）设计湍流强度平均湍流强度34 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 192021 220.350.30.250.20.150.10.050湍流强度风速/（m/s）设计湍流强度平均湍流强度34 5 6 7 89 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22技术|Technology94 风能 Wind Energy 结合风电机组的运行状态及风环境等,共设置 21 个工况类。各工况类中按照风速等条件分别设置不同的子工况,共计707 个工况。其中,DLC12 工况为正常发电工况,该工况对应的风模型为正常湍流风模型,运行风速区为 322m/s,主要受到风的湍流强度的影响,后续本文主要针对该风速区进行研究探讨。根据 GL IV-1-42003 设计标准,各风速段湍流强度的计算公式如下：（2）（3）式中,1为轮毂高度处纵向风速的湍流标准差；I15为轮毂风速为 15m/s 时的特征湍流强度；Vhub为轮毂高度10min 平均风速,m/s；为不同等级风电机组对应的设计参数；I 为湍流强度。根据 GL IV-1-42003 设计标准,在 DLC12 工况中各风速段湍流强度均可由公式（2）、（3）计算求得。然而,对于后市场的技改应用场景来说,DLC12 工况中各风速湍流强度仅 I15具有实测数据支撑,即仅 15m/s 风速下的湍流强度能够较好地代表特定风电场的湍流强度,其余风速段的湍流强度在一定程度上会与实际数据存在偏差。根据 GL IV-1-42003 设计标准中确定风条件的规定,特征湍流强度 I15计算公式如下：（4）式中,为 Vhub=15m/s 时实测的湍流强度标准差,为该风速段下湍流强度标准差的标准差。本文结合上述计算公式（4）与各风速段实测数据,对DLC12 工况各风速段湍流强度进行计算,用以替代以公式（2）、（3）计算的湍流强度。这一过程打破了既有工况湍流强度的设定,实现了 DLC12 各个子工况的湍流强度与实际湍流强度的贴合,更符合实际风电场环境。这一突破也是扇区管理技术能够在以 GL IV-1-42003、IEC 61400-11999 和 GB 18451.12001 为设计标准的老旧机组上运用的基础。三、扇区管理技术运用由表 1 可知,该风电场 K61K66 机组点位的特征湍流强度 I15均大于 GW87/1500 机组湍流强度特征值I15=0.16,即在上述点位采用 GW87/1500 机组具有一定的风险。为降低风险、提高技改方案的可行性,可运用扇区管理技术对大湍流风区进行管理。（一）湍流强度对比分析本次需对 K61K66 机位点分别进行扇区管理,各机位点扇区管理方法相同。由表 1 可知,特征湍流强度最大为 0.178,对应机组点位为 K64。现以 K64 为例,其各风速段湍流强度如表 2 所示。表中,I设为各风速段设计湍流强度,I实为各风速段实际湍流强度,I扇为各风速段扇区管理后的湍流强度,k 1=(I实-I设)/I设,k2=(I扇-I设)/I设。当 k 1 0 时,即可认为该风速段湍流强度大于设计湍流强度。在扇区管理过程中需要根据 k1值大小,对相应风速段进行扇区管理。机组点位 K64 风频矩阵及扇区管理如附表 1 所示,湍流矩阵如附表 2 所示。其中,附表 1 灰色块区为管控扇区,共计 4 个区域。结合附表 1表 2 即可计算出经扇区管理后 K64 机位点各风速段湍流强度（表 2）,各风速段 k2均小于 0,即 K64 机位点各风速段湍流强度经扇区管理后均可控制在设计湍流强度以内。（二）载荷对比分析在其他风参数据保持一致的前提下,结合扇区管理前后各风速段湍流强度,对机组各关键部件进行仿真计算。本次仿真计算采用 GL 坐标系,各部件载荷计算结果分析不图2 塔架截面示意高度/m801234.4kg817kg1413kg1964.8kg3434kg70605040302010-303半径/mTechnology|技术2023年第02期 95 表2 K64机位点各风速段湍流强度Vhub/（m/s）I设I实k1I扇k230.3200.3272.19%0.320-0.11%40.2700.262-2.96%0.258-4.55%50.2400.222-7.50%0.220-8.40%60.2200.211-4.09%0.209-4.88%70.2060.193-6.18%0.193-5.99%80.1950.189-3.08%0.189-3.29%90.1870.184-1.43%0.184-1.45%100.1800.1800.00%0.157-12.99%110.1750.1813.70%0.156-10.38%120.1700.1795.29%0.157-7.60%130.1660.18310.14%0.162-2.78%140.1630.18111.14%0.157-3.77%150.1600.17811.25%0.146-8.72%160.1580.17813.02%0.140-10.88%170.1550.17110.11%0.120-22.88%180.1530.17111.52%0.127-17.21%190.1520.17616.11%0.124-18.31%200.1500.17516.67%0.134-10.58%210.1490.17417.12%0.122-18.01%220.1470.17515.43%0.083-52.57%考虑载荷方向的影响,仅针对各力/力矩的大小。此外,本次仿真计算过程未考虑雷电、地震及鸟撞等对机组存在影响的特殊自然情况。机 组 各 关 键