空氣密度修正,到底能不能提高發電量?

2021-01-14 三卜實驗室

        風電機組現場運行環境下，空氣密度時刻在發生變化，控制算法如何根據實際空氣密度值進行調整？之前做過一些研究分析，整理一下供大家探討。


01 現場實際空氣密度的變化情況

    根據東北吉林省某個風電場的記錄數據，一年期的原始數據是這樣的：

有些無效數據，需要做數據清洗及修正，截取三天的數據，是下圖這樣的。很明顯的正弦變化，白天空氣密度小，夜晚比較大，小周期波動。

        那麼在較大時間尺度又是如何變化的？做了日平均、月平均、年平均的統計，並標識了最大和最小值。圖5就可以看到變化情況。

        年平均也有類似的正弦變化規律：夏天小，冬天大。而且最大最小值相差了將近25%，非常明顯的差距。

        那麼，知道這些變化的規律和趨勢，在不增加測試設備的情況下，就可以在控制程序內部預先進行算法設置，做到離線空氣密度修正。

02 對功率曲線的影響

    空氣密度直接影響風電機組的功率曲線，在相同風速下，空氣密度大會產生更多的電能。可以認為是能量密度不同（空氣的動能不同）。


03 空氣密度如何修正能量捕獲控制算法

    最大風能追蹤，追的是最優功率功率係數Cp，控制程序中體現在Kopc，而它與空氣密度ρ有下面的關係（推導過程可參見文末論文）

        所以，可以根據實測的空氣密度，對最優曲線係數進行修正，理論上可以實現不同空氣密度下效率的最佳。修正算法框圖如下：

基

        基於Bladed軟體平臺，在1.5 MW雙饋風電機組模型基礎上，進行了空氣密度修正轉矩控制算法仿真，設計了5組對照仿真實驗。

其中：


仿真結果如下：


直接上結論：

①風電場環境中，空氣密度每天呈現周期性變化；並且，季節性變化為冬季大於夏季；整年呈近似正弦變化。空氣密度受溫度影響明顯，在風電場沒有氣壓傳感器的條件下，可以採用實時溫度進行近似估計。

②空氣密度修正後的轉矩控制算法對風電機組輸出功率影響不明顯。

③空氣密度修正算法導致相同風速下的轉矩、轉速值顯著改變，優化時須考慮對機組載荷的影響。

④空氣密度的變化導致同一風速下機組的發電功率不同，在風電場功率曲線統計中應注意空氣密度的修正。


多提一句：許多人看到第二條結論，非要槓一下，這裡說的不明顯只是基於直接修正Kopt這種方式，後續對算法做過進一步優化，效果更加明顯，暫且不展開說，等後續整理之後再和大家探討。


再多提一句：目前現場應用更多的是對風速的修正，比如空氣密度大的時候，就可以適當減小機組的切入風速設置，暴風停機對應的風速閾值可以適當調小來保證機組安全。



附：淺顯的小論文

https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&dbname=CJFDLAST2020&filename=NCNY202001011&v=MzA1NDlOSE1ybzlFWllSOGVYMUx1eFlTN0RoMVQzcVRyV00xRnJDVVI3cWZidWRyRkNqa1ZML1BLeTdGZDdHNEg=




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