明阳智能刘清媛:海上风电场尾流协同控制技术及应用

能见App 2021年10月19日 3502

2021年10月17日-20日,2021北京国际风能大会暨展览会(CWP 2021)在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题,历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

在19日上午召开的风电机组技术创新论坛上,明阳智慧能源集团股份公司风资源研发主任工程师刘清媛发表了《海上风电场尾流协同控制技术及应用》的主题发言。

以下为发言全文:

刘清媛:感谢各位业内同仁来参加本次的分享,我分享的主题是海上风电场场群尾流控制技术及应用。我从以下三个方面去讲述明阳智能在海上风电场场群尾流控制的一个研究心得和研发成果。

首先第一部分就是海上风电场尾流的背景。早期建设海上封风场,因为缺乏先进部机的经验经验,所以部机是不科学,导致尾流损失会非常大,并且近年来海上大型机组的发展,大叶片会带来比较严重的尾流影响,并且现在的策略主要是以单排机组的发电量最优为目的的控制策略,并没有考虑到尾流控制、尾流效应对周边机组以及整场发电量的影响,所以尾流控制技术突破现在是比较重要的一件事情。看一下海上风场尾流特征,海表粗糙度是比较低的,所以它的尾流衰减会比较小,单机尾流脱尾比较长,尾流的叠加效应在后场就会有比较大的影响。

大气风场的复杂性,会为风机尾流精确化评估也会带来挑战,所以尾流的影响,总结起来有两大部分,第一就是大幅度的降低了整场的发电量影响风电场的经济性;第二就是增加了机组的疲劳载荷,这会影响使用寿命。目前我们是通过尾流的模型或者是CFD的数值仿真对尾流进行特性分析,或者是用主流的测风设备,激光雷达对尾流进行实地探测,目前行业海内没有比较成熟的尾流智能化控制的,现在我讲什么是尾流控制,尾流控制可以分为两步,在风电场规划期,我们通过前期微观选址,可以选择全场尾流损失最小,发电量最优的方案,这就是尾流控制未雨绸缪的第一步,第二步就是风电场的运行期,可以通过场群尾流控制,智能化降低尾流损失,进一步去提高他的发电量。第二部分就是我接下来想讲的事情,什么是场群尾流控制呢?场群尾流就是基于海上风场真实尾流场的验证,着手于海上风场智能化场群尾流控制策略设计和算法优化,旨在减少前排机组为六对后排机组的干扰,改善风电场运行阶段的发电性能,在风电长全寿命周期去提高我们的经济效益。

第二部分就关于尾流控制的一些关键技术研发,有以下四点。第一点,尾流模型的验证工作,现在我国东南沿海的建设和规划的海上风场都是比较多的,但是与海上风场的尾流控制核发电量相结合的一些研究还是较为缺乏,所以我们在广东某海上风电场就进行了实地尾流测试实验,据分析海上风场尾流特性,验证的他尾流模型的准确性,可以看到我们将两台激光雷达是布放在了A号机组,一个扫描雷达放在塔机,然后机仓激光雷达放在他的机仓顶部,然后用扫描雷达的一个水平扫描模式和垂直的扫描模式就可以获得大面积的尾流场信息。下一步就是通过一系列的数据筛选和提取操作,对尾流数据进行处理,对尾流的特性进行分析和模型验证。尾流的一个水平风速分布上来看,在不同的距离上,高速模型与真实尾流场这是一高速分布规律是比较一致的,而且因为有一定俯仰角的扫描,所以在不同的高度层它高速模型预真实数据一个吻合程度。然后选择一些数据与同样工况的CFD的数据进行了一些对比验证,也是进一步的去验证了它的高速模型与CFD的结果,还有实际尾流场的结果吻合性是比较高的。

在尾流的一个垂直特性分析当中,我们采用了扫描激光雷达的垂直的扫描模式,验证了在中场和远场的尾流区,高速模型与实测的数据吻合程度较高,并且在垂直方向上,因为风速会受到风险期的影响,那么它的尾流风速分布,会体现出来一个指数型的高速分布。并且在风速损失方面我们可以看到实测平均风速损失与模型预测风速损失在4D距离之后它是高度阈值性。以上我们从水平和垂直两个方向,验证了尾流模型准确性,就将尾流模型运用到我们尾流控制策略设计当中。这是我们控制策略设计的逻辑,就是根据机位的排布方式和测风数据可以制定一个全场尾流工况表,根据这个工况表去计算每一个工况的尾流损失、风速还有功率,以及每个工况对应的一个机仓朝向,可以生成动态的一个风速、风向、湍流,对应的每一个机组的机仓朝向这个动态的数据库,那么这样就可以用于我们的一个尾流控制的策略中。尾流控制策略的比较核心的部分,我们将三个模块进行协同的合作,机组的主控系统将风速风向仪还有机仓激光雷达测得的风况数据上传到场级控制器中,场级控制器是独立于整场机组,它可以与整场机组进行通讯,然后接收到这个风况数据进行风速还有风向的一系列评估,然后给每一个机组去下发偏航指令。那么我们的偏航控制系统就是去执行场级控制器给它下发的指令,

第三部分就是进行全流程的仿真分析,动态的仿真了海上风电场与场级控制器的通讯机制,然后模仿风况的数据进行尾流的仿真发电量的计算,以及最后机仓偏航优化,我们仿真结果就是在全风向的条件下,风速4米-13米不等的,4米-10米的风速段下,它的发电量提升可以有4个点以上,也就是说在低风速未达到满发的时候,我们采用的尾流控制可以达到比较可观的提升,并且对他的稳定风况和非稳定风况的机仓偏航表现也进行了仿真,也就是说在稳定风况下,机组可以准确的去执行偏航指令,但在非稳定风况下,场级控制器也能够保证它能够较好执行偏航指令,并且可以动态控制它偏航时长还有偏航次数。接着形成了自动化的一个解决方案集成在明阳风格网页平台上,网址就是右上角网址大家感兴趣可以察看。

我们这个网页平台有8个具体的应用。现在介绍就是尾流控制优化应用,它有三大功能,尾流优化、尾流评估还有尾流可视化。其中有三个模块,输入、计算和输出。进入到详情页面之后可以在我们新建项目当中去对项目进行自定义,完了之后可以去上传功率曲线的数据,还有机组的排布的数据,上传之后,可以对它参数进行一系列的设置比如说风速、风向还有湍流,这可以影响到后期尾流优化的结果。跳转到项目清单界面之后,就是我们项目创建已经在系统内部生成,系统是正在准备进行项目的计算,我们可以看一下这个计算的结果展示。    

在基础的信息里面,可以看到他们的机位的排布的信息,然后再尾流优化可以看到整场尾流优化的评估结果,在尾流评估阶段可以输入风资源的数据,得到不同机组的提升量,不同的风向的提升量,还有不同月份的提升量,在这都可以计算出来,然后再尾流可视的结果里面可以看到,在计算模块可以把这些参数输入进去,就可以得到尾流可视化的结果,智能化的结果输出,最后会打包呈现出一些尾流的数据处理的结果,还有机组偏航举证表还有自动生成这个评估报告。  

尾流控制实施和效果验证方面,我们也是把尾流控制策略把它下地到了某海上的风电场项目去,然后在风电场去配备两台激光雷达和一台扫描式的激光雷达,现场对风电场添加了场级的控制器,将尾流控制策略编写到场级的控制器中,然后对整场的机组也进行了对北的调整。将激光雷达播放到目标机组机仓上,进行了运行和调试,建立了机仓、激光雷达、机组然后还有场机控制器通讯。最后我们选择部分机组进行了尾流控制的测试。

大家看到,后台可以监控到部分机组一些偏航角度的持续变化,也就是去监控它是否能够准确的执行我们给它下达的偏航指令,同时对尾流控制前后的风况也是进行了一系列的评价,对代表风速、代表风向和代表的湍流、代表的功率与整场的数据进行了一个评估。它的提升情况,在两个工况下,前排机组与后排机组我们可以选择典型的例子,后排机组受到前排机组整个影响的时候,它的风速都会呈现偏低的情况,发电量也会受到一定程度影响。但是通过控制尾流优化,我们可以看到后排机组风速会得到一定的,恢复正常,发电量会有所提升。我们也是在现场进行了四个月的尾流控制的测试,就各机组的运行性能都是比较良好的,场级控制器的执行率可以达到99%以上,那么稳定风况下全场机组它的提升量是在2个点以上,非稳定提升量也约为一个点。

 

最后总结,前期基于测风激光雷达的风场的实测分析,完成了尾流模型的验证,中期我们对尾流的控制策略进行设计以及算法的一些优化,最后生成一个自动化的解决方案。后期将尾流控制策略落地到我们的海上风电场中,也是初见成效。这里可以做个展望,尾流控制也是在未来海上风场一个智慧化、现代化发展的一个技术难题,也需要去做进一步技术突破的方向。并且在未来海上风场一些智能化运维、降本增效也是一个有效的利器。感谢大家来参加本次的分享,谢谢。

   

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)