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            數據驅動的風電機組技改提效方法探討
            近日,2021年第五屆新能源電站運營及后服務研討會在北京隆重召開。中國光伏行業協會、水電水利規劃設計總院、龍源電力集團股份有限公司、中國華能集團有限公司貴州分公司、國家電投北京公司、潤陽能源技術有限公司等企業代表參加了本次會議。
             
            圖一 會議現場
             
            本次會議以共同探討“新時期、新發展、新業態”下,如何運用綜合技術手段提升電站的效益為主題。與會現場,領導、專家及各企業代表針對“2020年新能源電站運營技術進展分析”、“運維體系建設及優化探討”、“儲能設施運維要點及經驗分享”、“光伏電站技改及后服務探討”、“風電場運維及技改分析”等議題進行交流探討。
             
            在此次會上,潤陽能源技術有限公司副總經理劉昊針對發電量分析、故障分析、時間可利用率、能量可利用率、運維管理優化、技改方案的選擇等主題與現場領導、專家、企業代表進行分享和交流。
             
            圖二 數據驅動的風電機組技改提效方法探討
             
            此次演講主要包括:風電場數據分析方法;數據分析的應用;運維技改方案介紹三個部分。
             
            以下為演講全文:
             
            - 數據分析方法 -
             
            機組發電量的主要決定因素包括:風資源和能量可利用率。能量可利用率分為時間可利用率和發電性能。時間可利用率和停機次數、停機時長、發電性能和機組的功率曲線、轉矩曲線還有一些其他的性能指標有關,所以需要提高風機的運行可靠性還有增加風機的效率。
             
             
            提質可以通過運維管理優化和可靠性技改來提升,通過增功技改和控制策略優化可以增加風機的發電性能。提高時間可利用率的方式一般分為三種,分別是日常消缺、狀態檢修以及故障預警。
             
            時間可利用率的分析可以通過故障停機次數分析,通過風機不同的故障部位和故障次數進行分類或者具體的故障類別舉例分析。但停機時長往往跟風機的各部件性能有關,一般電器類故障的停機次數非常多但是停機時長未必多。但機械系統類的故障一般是停機次數未必多,但停機時長比較多。所以需重點關注的是停機時長。
             
            時間可利用率疊加上功率曲線就能體現能量可利用率,停機時長如果在低風速區域,損失的能量不是特別多,但是在中高速區域損失的能量會急劇增加,所以通過這種分析方法可以規避能量損失多的故障。
             
            關于機組功率曲線,我們關注的目標在額定風速以下盡量貼近于最優Cp值來運行。在額定風速以上是沿著額定功率來運行,所以在這段區域內如何提升功率曲線是對于提升發電量最重要的指標。
             
            關于發電量的計算,通過風頻分布和功率曲線這兩個數據的疊加可以進行一段時間內或者年發電量統計。
             
            機組的損失電量一般包括場內損失和場外損失。場外損失一般由于調度限電和場外受累所引起的,最值得關注的則是場內損失。場內損失一般分為故障停機、計劃停機、場內受累和機組自降容,這些和運維管理以及機組自身的狀況有關。所以需盡量避免場內損失,盡可能的提高風場發電小時數。
             
            - 數據分析的應用 -
             
            根據時間可利用率可以對不同的故障進行時間上的分析,對短時間內頻繁報出的故障進行重點排查。進行機組的運檢計劃時盡量選擇在小風的時候進行,但故障發生的時候往往不取決于制訂的運檢計劃,故引入了一些狀態監控的方式和設備,盡早的發現機組的異常,在小風的時候提前進行備件的采買和維護,確保不在大風期停機損失更多的電量。
             
            功率曲線的應用也有很多種,第一種是利用全場的功率曲線統一來分析,能夠找到同一種機型功率曲線的差別,能夠具體分析功率曲線低的原因。另外一種就是做完技改優化后可以為同一臺機組技改前后進行對比分析技改的優化效果。通過分析單臺的功率曲線和轉矩曲線可以找到一些異常點,從而找到性能損失的原因。
             
             
            十分鐘功率曲線是從宏觀概念上可以更明確的顯現出機組的狀態,但是一秒的數據也能體現出功率曲線和轉矩曲線,這種點更散更加能體現一些短時間內控制細節。
             
            除了以上性能指標之外還可以利用SCADA數據進行時間維度上的故障分析,比如一秒鐘的SCADA數據、PLC(20ms)數據進行具體的故障分析。
             
            - 技改方案介紹 -
             
            在2019年發布的中國風電后市場報告里面的一些統計數據中,國內所有的主流廠家做的一些技改方案大概有196個,到了2020年數據量增加了70%以上,達到了300多個。技改種類繁雜,方案數量又多,對于風電場的運營來說如何選擇是一個難題。
             
            但基于數據的分析之后可以更明確的選擇一些技改方案,根據風電場的資料、風機的運行數據以及一些管理數據可以進行分析評估,從而提出針對性的解決方案,其中包括發電量的提升方案、可靠性的提升方案和運維管理的優化方案等。
             
            功率曲線的計算是和葉輪的掃風面積、風速、Cp值以及空氣密度有關。其中除空氣密度以外的其他維度都可以通過技改的方式進行一定的提升。如葉輪掃風面積可以通過葉片的加長來實現,對于風速可以通過提高利用風速的范圍來實現,對于Cp值可以利用新的控制策略包括葉片的氣動優化方式來提高。
             
            以下的案例就是葉片類的提效。分別是增加葉輪掃風面積后和增加葉輪的氣動性能。
             
             
            葉根加長可以在地面施工可以在空中單葉片吊裝施工,對于MY1.5/82機組增加葉根加長2米,提效能到6% 以上。
             
            另外一個風場是MY2.0/110的機組在葉尖加長的2米,經北京鑒衡認證中心評估,此項技改提效達到6.313%。
             
            另外一種方式是偏航對風,這種傳統的方式利用激光雷達測風,缺點是成本相對較高。
             
            現在我們采用的是自校正的方式,通過機組出力、風向、風速等運行數據進行合理篩選,采用神經網絡算法動態獲取最優風向測量角度校準量,補償風向測量數據,實現偏航精準對風。
             
            該方案采用智能算法自動辨識偏航對風偏差,校準過程通過軟件自動實現,系統無需人工干預,無附加硬件成本,且系統可以根據風向儀更改等情況自動喚醒,能夠保證機組的發電量。
             
             
            另外一部分是提高風速范圍,功率曲線雖然范圍有限,但盡可能的讓風機在低風速段的盡早切入,在高風速段的盡晚切出,這樣就延長了功率曲線對風速的利用范圍。對于啟動階段可以進行待風模式的優化和并網速度的優化,讓風機盡早并網。在高于切出風速的時候我們可以進行軟切出的控制,充分利用風資源。
             
            接下來是控制策略優化,采用智能機器人領域的最優算法,人工智能算法,使機組的算法智能程度提高。能夠根據環境變化或者前期風資源條件的輸入,自行進行控制策略及參數的定制化選擇優化,提升性能,從而真正意義上的脫離人為干預。
             
            機組安全可靠性的技改主要分為可靠性運維、防振動技改和防超速技改。對于日常消缺可以充分利用數據分析的工具,精確定位故障。
             
            如超速的原因有很多,通過數據分析的方式,如聯軸器打滑可以在PLC(20ms)數據里清楚的看到差值,定位故障。還有轉速跳變引起的超速,風機并沒有真的超速,而是由于編碼器發生了跳變故障。以及變流器故障引起的超速,故障并不在于風機的機艙里,而是在于變流器。
             
            上述這三類故障可以通過數據分析的方式進行檢測,發現故障及時處理。
             
            振動的故障類型很多,簡單介紹下通過風機自身的故障數據和傳感器來進行的一些分析。如信號的干擾、偏航、變槳控制、在啟動過程中、控制頻率穿越過程中引起的振動故障都可以通過風機自身的PLC存儲故障數據分析出來。
             
            另外故障檢修方式是狀態檢修,可以充分利用健康管理平臺和專家診斷的方式提前發現機組的異常情況,從而進行檢修的規劃。
             
            以上是故障的分析排查方面,當遇到這些故障問題可以用技改的方式去規避故障,包括防超速的技改,其中一種技改方式是應急偏航。應急偏航分為兩種類型,第一種是硬件,在超速的情況下通過手動的方式強制偏航。第二種是軟件,在風機超速的時候,風機自動識別自身狀態,從而讓風機停下來。
             
            對于行業內發生過的事故,有些是因為人員的誤操作而導致,為了規避這種事故,可以通過槳葉互鎖技改方式,使操作更加簡單安全。
             
            對于防振動方式,可以通過傳動鏈加阻的方式,或者通過修改控制策略來規避掉一定類型的故障。通過主控程序的優化,加入震動濾波的算法,可以在振動達到一定值但未報警前就把引起故障振動控制上的一些數據濾除。
             
            最后總結一下,數據分析是基礎,這些數據方便獲取且適用于所有機組。目前技改項目類型數量比較多,較為繁雜,不能盲目的執行,基于數據分析的技改將會更有針對性。
             
             
             
             
             
             
             
             
             
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