大型风电机组偏航校正测试系统研发及应用

成果名称：大型风电机组偏航校正测试系统研发及应用

成果完成单位：北京京城新能源（酒泉）装备有限公司

成果完成人：曹杰;亢景龙;石文虎;晋社民;彭丽莎;陈双;雷婷婷;赵亚运;杨阳;张爱明;闫丽;祁楠

所属行业：电力、热力、燃气及水生产和供应业

成果登记号：9622022Y0633

成果简介：

一、项目来源与背景
（1）国内研究发展现状
本项目申请单位是北京京城新能源（酒泉）装备有限公司并负责组织实施，参与单位是北京尚文汇通能源科技有限公司，并成立项目联合体，共同承担本项目的研发工作。偏航系统是风电机组机舱风力发电机组，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够使风轮快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能，提高风电机组的发电效率。
西工大廖明夫教授曾对机组偏载的危害进行过系统的研究。辽宁大唐国际新能源有限公司曾开展了风力发电机组偏航校准测试方面的研究，提出了采用激光雷达测风仪以及偏航定位装置，检测风力发电机组偏航系统偏差，为风电机组偏航控制系统的优化提供了数据基础。
（2）国外研究发展现状
国外对于风电机组来流风准确性的重要性认识较早，丹麦RISO实验室曾对于机组来流风准确性进行过实际测试和理论计算。英国一些咨询公司对于风电机组风轮扫掠面前的风速压缩区曾经进行过相关计算，并用地面式激光雷达进行相关实验验证。一些机舱激光雷达生产厂家也对与来流风的风向进行过相关研究，获得过一些关于机组偏航误差的相关实验数据。
（3）国内发展趋势
偏航误差在风力发电机上很普遍，很多的风力发电制造商及风电场业主很久以前就发现风机在运行时，机舱的朝向是不一至的。相关研究表明，大部分的风电场的风机平均偏航误差都在10-12度左右，偏航误差将造成较大的发电量损失以及额外的载荷，典型的风电机组偏航误差为7-10%，相当于2%-3%的发电量损失，全国一年仅偏航误差带来的发电量损失就高达数十亿元，这还不包括由于偏航误差导致的机组偏载增加给机组寿命带来的安全隐患。
二、技术原理及性能指标；
1、风电机组的偏航误差分别通过静态校正与动态校正进行偏航误差校正。
静态矫正：通过修改offset参数实现的，即在所有风速下，对所有风向误差的检测值增加一个固定方向的偏移量，然后再输出到偏航控制。
动态矫正：根据激光雷达实测偏航误差，输出到偏航控制算法，可以有效的减少偏航误差的离散型，可以通过Windtimizer模块执行，或者直接将利茂产品接入到风机主控系统。
2、风机偏航误差测定方案
风机的偏航误差一般由测风设备、风轮转动、气流扰动等多种因素综合引起，但主要是受风轮涡转动引起的涡流影响，风机自带的风速计和风向标并不能正确捕获风速与风向等来流数据，导致测量值与实际值之间有一定的偏差，从而引起风机偏航误差。激光测风雷达利用采用相干探测体制基于激光多普勒频移的原理，可精确捕获其前方几十到几百米距离的风矢量场数据。
三、技术的创造性与先进性；
该项目的执行属于企业技术研发的项目，在国内原有技术的基础上进行了更精细化、更准确的改进，目前处于该领域国内领先技术。
四、技术的成熟程度，适用范围和安全性
完成风机偏航系统校正检测方法的制定，完成风机偏航误差角度的测量，完成现场实际测试数据进行计算分析，完成风机风机主控系统调整参数的设定，完成大型风电机组偏航校正系统研制。完成偏航校正系统实际工况运行。偏航校正系统对风机偏航误差角度进行监测，并进行动态校正，可有效减小风机偏航离散性，保障风机最大程度的吸收风能，有效提升风电机组发电量。
五、应用情况及存在的问题
1、应用情况
本项目研制的大型风电机组偏航校正测试系统，经项目承担单位配套生产，已形成年技改100台风机以上的能力。
以风电机组单机容量2.5MW、有效发电2000小时、技改前年发电量500千瓦时、偏航校正发电量平均提高3%，年技改风机100台、上网电价0.61元/度进行核算，每年可增加发电量1500万度电、增加收益915万元。
通过机组偏航校正系统升级改造，可有效降低风机载荷10%～15%之间，相当于提高风机寿命10%～15%，可风机使用寿命可从20年至少提高至22年。项目成果通过自有风场进行示范运行，依托酒泉千万千瓦级风电基地进行拓展，市场前景广阔。
2、存在问题及对策
1）风机偏航误差分析
本项目针对风电机组的偏航误差导致的发电损失问题，基于贝茨理论计算，通过在机舱顶部安装激光测风雷达测量风轮前方的风速和风向，分析风机的偏航误差角度，探讨适合风电机组偏航校正的分析方法。
2）风机偏航误差校正策略
风电机组偏航校正系统，主要包括来流风数据采集子系统和风电机组状态采集子系统。通过来流风向与风电机组偏航状态参数的比较，获得风电机组的偏航误差。
本项目提出了使用机舱式激光测风雷达获取准确的机组来流风数据，同时将机组状态数据集成如一套系统，保证两个子系统的物理同步性。
六、项目成果如下
1）研制的大型风电机组偏航校正测试系统，经项目承担单位配套生产，已形成年技改100台风机以上的能力。
2）通过国家知识产权局专利授权1件(《一种发电机质量合格检验用质心偏转角度测量装置》（ZL201910195619.5);
3）通过国家版权局计算机软件著作权受理或登记1部，《偏航测试系统V1.0》1部（2021R11S1316440）;
4）《风能》杂志公开发表相关研究论文1篇《风电机组偏航校正测试与分析》.2121.11月刊。
5）形成《大型风电机组偏航校正测试系统研发及应用》科技报告1篇