低平均风速风力发电机组发电效能提升研究

低平均风速风力发电机组发电效能提升研究

王炎 朱文凡 李鑫  刘五亮  曹鹏  屈德斌

单位名称：国华投资国华（神木）新能源有限公司

摘要：随着全球对可再生能源需求的增长，风力发电作为清洁能源的关键组成部分，其发电效率的提升尤为关键。本文重点探讨了在低平均风速条件下，通过技术改造提升风力发电机组发电效能的可能性和方法，特别是双模风力发电机组技术的应用，旨在通过结合双馈和全功率运行模式，优化低平均风速下的发电性能，同时保持高风速时的优良性能，提供了一种有效提升风电发电效能的新思路。

关键词：低平均风速；风力发电机组；效能提升

技术的进步和应用的拓展为提高风力发电机组的效率提供了新的途径。传统的双馈风力发电机组，因其在调节和控制方面的灵活性，已经在许多风电场中得到了广泛的应用。这种类型的风电机组可以在风速变化较大的条件下，通过调节转子侧的电流，实现对电机输出功率的有效控制。然而，随着对风电场运行效率要求的不断提高，特别是在低风速条件下，传统双馈系统的发电效能未能达到理想水平，需要通过技术创新来解决这一问题。针对这一挑战，双模风力发电机组技术的提出，开启了风力发电技术改造和优化的新篇章，该技术方案通过在双馈风电机组的基础上增加全功率运行模式，实现了风电机组在低风速阶段的发电效率提升，同时保持了在高风速阶段的优良性能。此项创新不仅展现了对现有风电技术的深入理解和有效改进，也为风力发电技术的发展指明了新的方向，展示了在复杂风速条件下提升发电效率的巨大潜力。

1 低平均风速风力发电机组发电效能提升的逻辑说明

双模风力发电机组的设计理念是在传统双馈系统的基础上，通过引入全功率运行模式，实现对风电机组性能的全面优化。这种方法主要依赖于在低风速阶段将双馈电机转换为功能更为强大的鼠笼电机，以此来实现全功率的运行状态。此举不仅有效解决了在低风速条件下风电机组发电效率不足的问题，而且利用双馈和全功率两种模式的优势互补，为风电机组在整个风速范围内的性能提升提供了可靠的技术支撑。

1.1 核心原理

双模技术之所以在风力发电领域受到重视，关键在于其独特的运行机制，该技术能够在低风速条件下通过内部电路的快速转换，实现电机从双馈模式到全功率模式的平滑过渡，这一过程成功的关键在于电机内部结构的高度适应性以及对电流和电压调节机制的精准控制。在全功率模式下运行的电机，即便在风力较弱的条件下，也能通过最大化风能利用，显著提高整体的发电效率。此外，双模技术的实施需要对电机的内部结构进行精细设计，以确保其能够承受从一种模式到另一种模式的快速切换。这包括对电机内部的电路布局、绝缘材料以及冷却系统的优化，以适应不同模式下的运行需求。同时，对电流和电压的精准控制是实现高效发电的关键，这需要通过先进的控制算法来确保电机在任何模式下都能稳定运行，最大限度地提高能量转换效率。

1.2 技改要点

具体改造主要涉及以下几个方面：（1）增加双模接触器：双模接触器的引入，标志着技术改革的核心，其作用在于在低风速工况时通过改变电机的内部电路连接将定子三相短接，使得电机从双馈模式平滑过渡到鼠笼式电机，即全功率模式。这一转换使得发电机即使在风速不足的情况下，也能维持较高的发电效率，最大化地捕获和利用每一阵风的能量[1]。这种技术的引入，不仅提升了风电机组在低风速下的性能，也增强了系统对风速变化的适应能力，从而大大提高了整体的能源转换效率。（2）主控和变频器软件的升级优化：为了适应双模技术的实施，主控系统和变频器软件的升级优化成为必要条件，这一步骤涉及到现有控制算法的深度优化，旨在确保在双模运行状态下，系统能够实现高效、稳定的运行。软件升级的重点在于提高系统的响应速度和运行效率，同时为操作人员提供更为灵活和准确的控制手段，不仅有助于在各种风速条件下实现最优的能量捕获，也确保了系统运行的高度稳定性和可靠性。通过先进的软件技术，可以精准地控制电机的运行状态，优化能量转换过程，从而提升整体系统的性能。（3）发电机改造：为了确保发电机能够在全功率模式下稳定运行，满足更高的工作要求，发电机的物理和电气结构需要进行全面的改造，包括增强发电机的热管理系统，以适应全功率模式下更高的负荷需求。优良的热管理系统对于保障发电机长期稳定运行至关重要，尤其是在全功率模式下，有效的热量排放对于避免设备过热、确保电机内部组件的稳定性及延长其使用寿命具有决定性作用。此外，发电机内部绝缘材料的改进和电机绕组布局的优化，旨在提升电机的电气性能和机械强度。

1.3 核心优势

双模技术的核心优势在于其能够根据环境风速的实时变化自动调节运行模式，从而确保在各种风速条件下都能实现最佳的发电性能。在低风速环境下，通过内部电路的快速转换，电机能够从依赖于风速的双馈模式，无缝切换到不受风速限制的全功率模式，这种转换不仅增强了风电机组对风速变化的适应性，也大大提升了在不稳定风力条件下的发电能力。通过这种高度灵活的运行机制，双模技术使得风电机组能够在广泛的风速范围内维持较高的发电效率。这不仅意味着在低风速条件下能够有效提高发电量，而且在风速较高时也能保证电机的稳定运行，避免因风速过高而导致的电机损伤。

2 低平均风速风力发电机组发电效能预计提升效果

本研究以陕西国华神木一、三期风电场为案例，针对该风电场近一年（2022年1月至2022年12月）的实际运行数据，通过深入分析SCADA系统记录的年平均风速以及不同风速区间的风频分布，探讨双模改造后的风电机组发电性能曲线及年度发电量提升比例。

2.1 风电场概况与风速特征

在陕西国华神木风电项目的一期与三期运营数据分析中，观察到全年风速平均值分别稳定在4.87m/s的水平。具体来看，EN-87/1.5MW型号风力发电机组展现出5m/s的年平均风速，而EN-93/1.5MW型号则表现为4.83m/s。进一步的数据挖掘揭示，在全年度中，风速介于2至5m/s的区间内，风力频率的比例高达53.6%。这一发现凸显了低风速环境在整体运营中所占的显著比例，强调了针对低风速区间优化发电效率的紧迫性与重要性。

2.2 发电性能提升

通过分析特定风电场的风力机组标定空气密度下的功率性能曲线与实际风频分布，本研究估算了采用双模态改进策略后的发电性能增益。结果显示，实施双模态改进措施不仅显著增强了风电机组在低平均风速范围内的能效，而且对整年的电力产出也产生了积极影响。详细来讲，对EN-87/1.5MW型号风电机组进行双模态优化后，其电力产出预期增加比例为1.1%；对于EN-93/1.5MW型号，改进后的增产比例则预期达到1.36%。尽管这种增产效应可能会因年度风速分布的微小变动而略有波动，整体而言，双模态改造策略证实了其在提高风力发电场年度总发电量方面的有效性。

3 结语

通过综合应用双模接触器、对主控和变频器软件的高级优化，以及发电机结构的综合改进，本技术方案在整合双馈与全功率运行模式的优点方面取得了重大进展，从而在低风速条件下实现了发电效率的显著提升和整体性能的优化。通过对陕西国华神木风电场案例的深入分析，进一步验证了双模技术改造对年度发电量增加的正面影响，即便是在低风速的不利条件下也能够实现效能的显著提升。本项技术的实施，在为风电技术发展开辟新路径的同时展示了技术创新在推动绿色能源转型中的关键作用。

参考文献

[1]田武涛.风力发电机组超级双馈技术研究与应用[J].河南电力,2021,(S1):74-76.