尹祖亮;苏盛;滕明星;陈众;杨洪明
【摘 要】强热带风暴条件下,风力发电机组可能因风速波动而反复启动和切出停机,对风机的安全性和可靠性构成突出威胁.因台风时风速变化率大,现行单独采用风速死区的再切入控制方法难以有效避免风机反复启停.提出了基于风速、时间组合死区的风力发电机再切入控制方法,采用减少单位切出次数损失停机时间为经济指标,为确定控制方案参数设置提供辅助参考.根据香港长洲气象站10 min平均风速展开的分析表明,基于风速、时间组合死区的再切入控制在减少切出次数和损失停机时间上均明显优于目前单独采用风速死区方案,有效避免高风速下频繁启停造成的磨损与老化,提高风力发电机的可靠性和安全性,具有很强的实际应用价值.%Wind turbines may cut out and re-cutin repeatedly once the wind fluctuates around the cutout speed.The excessive stress induced by frequent cut out and re-cutin may enhance the chance of component failure and negatively impact reliability of wind turbines.This paper proposes a re-cutin control method of wind turbine on the basisi of wind speed and dead time so as to avoid frequent cut out of wind turbines.The induced parking time per red
uction in cut-out are utilized to determine parameters configuration.In accordance with the 10-minute wind data in HK,it analyzes the performance of the proposed method.It shows that the proposed method outperforme the existing approach in both reductions in time of cut out and the cost of parking time.With this mehod,the wear caused by frequent cut out can be avioded to a large degree,and the reliability and safety of wind turbines can be enhanced.
【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2017(044)005
【总页数】6页(P48-53)
【关键词】风力发电机组;组合死区;再切入风速
【作 者】尹祖亮;苏盛;滕明星;陈众;杨洪明
【作者单位】长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南长沙410114;广东
省绿能源技术重点实验室,广东广州510006;长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南长沙410114;广东省绿能源技术重点实验室,广东广州510006;长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南长沙410114;广东省绿能源技术重点实验室,广东广州510006;长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南长沙410114;长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南长沙410114
【正文语种】中 文
【中图分类】TM614
风力发电机组多处于山野，运行环境恶劣，故障率高，不但检修维护费用高昂，还会因故障停机会降低机组可用率，影响并网发电[1]。据统计，陆上发电机的可用率一般在95%至99%之间。因海上风力发电机组技术不如陆上机组成熟，且检修维护还需要视海况择期出海，可用率显著低于陆上风电场[2]，有的海上风电场可用率甚至仅在60%至70%之间。统计数据表明，海上风电场检修维护成本高达风电场售电总收入的30%。因海上检修维护困难，降低海上风电场检修成本的最佳途径是尽量降低故障的发生概率。
海上风电场易受台风侵袭。强热带风暴条件下，风力发电机组承受的机械载荷有显著增加，严重威胁机组的安全性和可靠性[3-5]。为避免强风条件下承受超设计值的风载荷，风力发电机组设置有切出风速(多为25 m/s)。当检测到风速大于切出风速时顺浆刹车停机。当风速在切出风速上下波动时，风机将频繁启停，可能明显提高风电机组的故障概率。
为避免风机在强风条件下频繁启停，近年来，风机厂商开始引入风速死区[6]，即在风机遭遇强风切出停机后，设置低于切出风速的再切入风速(多为23 m/s)，只有当风速低于该值时才重新启动机组并网发电。因台风条件下风速变化率较大，2 m/s的风速死区并不一定能有效避免机组反复启停。因强热带风暴过境一般会持续2～3 h，也可设置再切入的时间死区，判断风速持续低于再切入风速超过一定时间后再行启动。
图1中，红虚线和蓝实线为再切入风速死区的上下限，灰阴影区为时间死区(30 min)。由图可见，单独采用风速死区时风机将在330 min时启动然后马上停机，如叠加时间死区则可有效避免。
需要指出的是，以上风力发电机组切出次数的减少实际上是以增加停机时间、减少发电出力为代价换取的。设置较宽的风速、时间死区虽然能减少切出次数，提高可靠性，间接降
低维护费用和因故障停机造成的电量损失；但也会延长强热带风暴前后接近满发条件下的停机时间，直接减少发电量。需要综合分析不同方案下切出次数和停机时间，方可优化风速、时间组合死区的参数设置。
本文利用沿海气象站风速数据，深入分析风速、时间组合死区对切出次数和发电出力影响的规律，进而提出了风速、时间组合死区的设置方法。
我国东南沿海地区风力资源充沛，是近年风能资源开发的重点区域，未来还将重点建设海上风电场。需要指出的是，该区域也是我国主要强热带风暴登陆地。强热带风暴登陆时，严重威胁沿线风电场风力发电机组的安全性，屡屡造成风机叶片折损乃至整机倒塔的安全事故。
珠江口外伶仃洋一带建设有198 MW的桂山海上风电场，相去不远的香港南丫岛也规划建设海上风电场。该地域易遭强热带风暴侵袭，亟待研究适用的风力发电机再切入控制策略。香港长洲气象站位于南丫岛和桂山海上风电场之间[6]，远离人口稠密地区，无明显建筑物遮挡，记录的风速数据能较真实地反应强热带风暴过境时的风速波动情况，其位置示意如图2。本文选取该站点观测风速，研究适用于当地气象特征的风机在切入控制策略。
长洲气象站记录有1992年3月30日到2013年5月8日的10米高度10 min平均风速。因近地层风速存在沿海拔变化的风切变，可用式(1)将测量风速折算到风机轮毂高度的风速。
式中：h0为地表粗糙度长度；h1为需要折算的气象站地面10米测风高度；h2为风力发电机组轮毂高度；v为对应高度的风速值。
地表粗糙度长度表征来自地面的摩擦效应，是决定近地层风速梯度的主要参数，与地表特征密切相关[7]。因长洲岛上覆盖大面积林地，可取其h0为300 mm。风机轮毂高度h2可按现代大功率海上风机取值80 m。由式(1)可得：
根据式(2)可以将10 m高空风速数据折算到轮毂高度风速，用于分析不同的风速和时间死区组合对邻近海上风电场风机切出再启动的控制效果。
根据折算的长洲气象站风速数据，1992至2013年间邻近风电场风力发电机组在无风速和死区条件下累计切出299次，折合每年切出13次。以前后两次风速大于25 m/s的间隔2 h为界，可将间隔时间大于2 h的切出视为无法通过死区消除的风机切出动作。对风机轮毂高度风速的分析表明，有高达198次切出动作间隔时间在2 h以内，可能通过死区设置予以消减；而间隔时间大于2 h无法消减的切出动作为101次。
采用风速死区可在一定程度上减少切出次数。为分析风速死区下切出次数的下降规律。以0.5 m/s为步长，设置再切入风速从24.5 m/s到20.0 m/s十种死区，计算每种死区下的切出次数。因减少切出次数是以降低发电出力时间为代价取得的，也计算每种死区下较无死区时增加的停机时间。因台风前后停机时间下多为风电机组可按额定功率出力的高风速风况，为简化分析，近似认为设置死区引起的停机时间等效于满发时间的减少。根据前述分析，将不同风速死区下的切出次数、引起的停机时间及对应每减少一次切出损失的满发时间绘制如图3，详情列如表1。由图表可见：
引入风速死区对降低切出次数有明显作用。按风机常用的23 m/s设置再切入风速时，切出次数可从299次减少111次下降为188次，但距离最低可能的101次仍有相当的消减空间。当再切入风速下降到20 m/s时，切出次数可低至113次。
增大风速死区对降低切出次数的贡献有一定递减效应。风速死区在22.5 m/s以上时，每增加0.5 m/s死区减少的切出次数在18到46次间，均值为26.6次；此后最多为14次，均值为10.6次。
采用不同风速死区与其引起的停机时间近似呈线性关系，当风速死区设置为20 m/s时，由
风速死区引起的停机时间为221 h。
因增大风速死区对降低切出次数存在饱和效应，对应降低切出次数的成本也呈增长趋势。风速死区设置为常规的23 m/s时，每减少一次切出将损失0.74 h的满发电量，而风速死区设置到20 m/s时，损失将达到1.19 h满发电量。
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