機組提效新主張:用機艙雷達觀風,用EFarm降載增功

發布時間:2018-07-27   


業內一個普遍觀點是,風電技術發展多年并趨于成熟,在保持風電機組高可靠性的基礎上,進一步提升發電量的同時壓低成本知易行難。如今,一項名為EFarm激光雷達智能控制技術(以下簡稱EFarm)開始廣泛應用,不僅能夠實現降低整機載荷5%至15%,結合不同的優化方案,可提升發電量2%及以上。

產品開發始終緊貼客戶關鍵痛點

傳統風電機組只能通過葉輪觸摸吹到其表面的風,并將其轉化為轉速、變槳角度等信號來控制機組對風的響應。然而,盡管利用葉輪自身可以獲得來流風的大致情況,但機組卻始終無法精準和全面地感知整個來流風域的風速、風向、湍流、風剪切及其變化信息。更重要的是,葉輪的感知永遠滯后于風的變化。這使機組無法更快地響應和最優地匹配風的變化,從而影響到機組載荷與發電量。

“在過去很長一段時間里,風電機組都難以對風的信息與脈動進行準確、充分地感知,無法主動提升自身發電能力和適應性。”金風科技EFarm激光雷達智能控制技術負責人談到:“EFarm利用激光雷達測風傳感提前并精準地感知來流的信息,依托先進的風域重構算法和智能控制算法,還原前方風域三維空間里的完整信息,并精確地控制機組,實現提前、主動、最優地匹配風的變化,進而大幅降低機組載荷,提升發電量。”

技術應用離不開大量的技術研發和測試驗證

多年來,金風科技對各種激光測風雷達及方案進行了測試評估,包括不同技術路線,旋轉掃描和固定光束等不同探測方式、光束配置、測量距離和測量頻率等不同性能參數,以及葉輪前、后的不同安裝位置等多種方案。通過技術論證,金風科技放棄了雷達掃描依賴于葉輪的旋轉等技術缺陷的輪轂中心安裝模式,并選擇更適應于中國風特性高性能先進多普勒激光雷達。并且,金風科技在國內外的多種地形、氣候和氣溶膠環境中,設立樣機對這些方案進行驗證;并與國內外先進的雷達廠商合作,針對機組控制定制化地開發機艙式激光雷達測風傳感器,先后完成了原型機、第一代和第二代激光雷達測風傳感器的開發工作。

金風科技通過大量測試發現,能夠準確地解析和重構風電場是實現降載和功率優化的前提。其中激光雷達的測量精度、有效測量距離、實際測量頻率、光束配置等關鍵參數至關重要,而非雷達在葉輪前后的安裝位置。相反,性能參數不足的激光雷達傳感器,會使得降載和電量提升的效果大打折扣,甚至起到反作用。

可靠性來源于實地嚴苛的檢驗與優化

EFarm技術所采用的是高性能、高可靠性、小型化的第二代激光雷達,能夠在各種復雜甚至極端的環境和工況下,始終穩定有效地對來流風域進行精準感知。

以位于山西平陸的云蓋寺項目為例:該項目屬于復雜山地地形,經常出現雨霧環境,并且冬季冰雪充沛,低溫接近零下三十度,同時因為附近有鹽湖而存在鹽霧腐蝕情況。針對金風科技機組控制需要而定制化開發的激光雷達測風傳感器,在該項目整個冬季的極端惡劣環境下,始終穩定可靠地運行。

除了有一雙“明亮的眼睛”外,EFarm的另一個核心優勢體現在軟件方面:它為風電機組的大腦植入先進的“智慧模塊”。

基于大量核心的仿真和實測數據,特別是不同環境和工況下精準的測風大數據,憑借對風與機組控制的深刻認知和技術沉淀,結合大數據和人工智能的方法,金風科技開發出了能夠精準分析識別風域信息的風域解析及重構算法,以及能夠控制機組實時地響應和最優匹配風況變化的智能控制算法。這使機組發電性能的優化,與整機及關鍵零部件載荷大幅降低得以實現。

成熟的技術體系支撐不同價值需求

EFarm激光雷達智能控制技術可實現整機載荷降低5%至15%,對機組設計和應用帶來顯著的價值。以新機型產品開發為例,其一是實現機組輕量化設計與減重。它使葉片、塔架、基礎等能夠更好地控制重量,從而相比沒有采用該技術的情況,在考慮不同塔架高度與類型的情況下,實現塔架減重10噸至30噸。其二是機組穩定性更高。實現降載的同時,EFarm能夠使葉輪轉速的跟蹤控制更精準和平滑,有效降低變槳速率的波動范圍以及減少變槳歷程,從而降低變槳系統負擔,提高機組穩定性。其三是平臺適應性更強。通過降載EFarm延展了整個機型平臺的適應能力,例如能夠配置更大的葉輪,適應更高的風區及特殊的風況環境等。

EFarm激光雷達智能控制技術提升機組發電量的應用場景有兩種:

一種是只要搭配了EFarm的機組,可直接提升約2%的發電量。這種場景下所提升的發電量,不僅來源于提前感知風況而實現的機組智能控制,還來源于精準測風與先進的對風偏航控制策略的結合可實現“精準對風”,令機頭長時間地面向“風能最大”的位置。并且,EFarm結合降載控制、惡劣風況控制等功能,能夠減少由于瞬時陣風、風向變化等引起的故障與安全停機時間,增加機組發電小時數。僅考慮提升2%的發電量,保守計算可在不到4年收回投資成本。

另一種應用場景是通過把降低的載荷轉化為發電量,即在降低機組載荷的前提下,配置更大的葉輪或提升機組的適應風區,從而實現發電量提升5%至10%。

“以河南滑縣項目為例,利用EFarm技術進行降載和機組配置升級,將原設計方案中計劃采用的GW115-2.0MW機型升級為GW121-2.1MW,發電量提升7%”上述EFarm負責人介紹:“在另一個位于河北灤平的項目,通過相同的應用方式,將GW121-2.0MW機型升級為GW131-2.3MW,發電量則提升了12%。”

另外值得關注的是,降載的價值不僅在機組和風電項目設計階段體現明顯,并且在風電項目全生命周期中,對運維和質量成本的降低有著直接和積極的貢獻。因此,雷達智能控制技術降載功能的價值,也必然會時時刻刻地體現在項目運營的整個過程中。金風科技的EFarm雷達智能控制技術在2017年獲得了由DNV-GL頒發的設計認證證書,并在同年的北京國際風能大會暨展覽會上正式推出。目前,其已獲得來自3個國家、8個省份共約200萬kW的項目采購意向。

“現在,因為能夠有效降低投資,顯著提升發電量,越來越多的業主開始關注并采用EFarm技術。以EFarm雷達智能控制技術為代表的此類技術,也已經逐漸成為風電行業應對風電競價上網乃至平價上網的利器。”一位行業專家談到。