机组提效新主张:用机舱雷达观风,用EFarm降载增功

发布时间:2018-07-27   


业内一个普遍观点是,风电技术发展多年并趋于成熟,在保持风电机组高可靠性的基础上,进一步提升发电量的同时压低成本知易行难。如今,一项名为EFarm激光雷达智能控制技术(以下简称EFarm)开始广泛应用,不仅能够实现降低整机载荷5%至15%,结合不同的优化方案,可提升发电量2%及以上。

产品开发始终紧贴客户关键痛点

传统风电机组只能通过叶轮触摸吹到其表面的风,并将其转化为转速、变桨角度等信号来控制机组对风的响应。然而,尽管利用叶轮自身可以获得来流风的大致情况,但机组却始终无法精准和全面地感知整个来流风域的风速、风向、湍流、风剪切及其变化信息。更重要的是,叶轮的感知永远滞后于风的变化。这使机组无法更快地响应和最优地匹配风的变化,从而影响到机组载荷与发电量。

“在过去很长一段时间里,风电机组都难以对风的信息与脉动进行准确、充分地感知,无法主动提升自身发电能力和适应性。”金风科技EFarm激光雷达智能控制技术负责人谈到:“EFarm利用激光雷达测风传感提前并精准地感知来流的信息,依托先进的风域重构算法和智能控制算法,还原前方风域三维空间里的完整信息,并精确地控制机组,实现提前、主动、最优地匹配风的变化,进而大幅降低机组载荷,提升发电量。”

技术应用离不开大量的技术研发和测试验证

多年来,金风科技对各种激光测风雷达及方案进行了测试评估,包括不同技术路线,旋转扫描和固定光束等不同探测方式、光束配置、测量距离和测量频率等不同性能参数,以及叶轮前、后的不同安装位置等多种方案。通过技术论证,金风科技放弃了雷达扫描依赖于叶轮的旋转等技术缺陷的轮毂中心安装模式,并选择更适应于中国风特性高性能先进多普勒激光雷达。并且,金风科技在国内外的多种地形、气候和气溶胶环境中,设立样机对这些方案进行验证;并与国内外先进的雷达厂商合作,针对机组控制定制化地开发机舱式激光雷达测风传感器,先后完成了原型机、第一代和第二代激光雷达测风传感器的开发工作。

金风科技通过大量测试发现,能够准确地解析和重构风电场是实现降载和功率优化的前提。其中激光雷达的测量精度、有效测量距离、实际测量频率、光束配置等关键参数至关重要,而非雷达在叶轮前后的安装位置。相反,性能参数不足的激光雷达传感器,会使得降载和电量提升的效果大打折扣,甚至起到反作用。

可靠性来源于实地严苛的检验与优化

EFarm技术所采用的是高性能、高可靠性、小型化的第二代激光雷达,能够在各种复杂甚至极端的环境和工况下,始终稳定有效地对来流风域进行精准感知。

以位于山西平陆的云盖寺项目为例:该项目属于复杂山地地形,经常出现雨雾环境,并且冬季冰雪充沛,低温接近零下三十度,同时因为附近有盐湖而存在盐雾腐蚀情况。针对金风科技机组控制需要而定制化开发的激光雷达测风传感器,在该项目整个冬季的极端恶劣环境下,始终稳定可靠地运行。

除了有一双“明亮的眼睛”外,EFarm的另一个核心优势体现在软件方面:它为风电机组的大脑植入先进的“智慧模块”。

基于大量核心的仿真和实测数据,特别是不同环境和工况下精准的测风大数据,凭借对风与机组控制的深刻认知和技术沉淀,结合大数据和人工智能的方法,金风科技开发出了能够精准分析识别风域信息的风域解析及重构算法,以及能够控制机组实时地响应和最优匹配风况变化的智能控制算法。这使机组发电性能的优化,与整机及关键零部件载荷大幅降低得以实现。

成熟的技术体系支撑不同价值需求

EFarm激光雷达智能控制技术可实现整机载荷降低5%至15%,对机组设计和应用带来显著的价值。以新机型产品开发为例,其一是实现机组轻量化设计与减重。它使叶片、塔架、基础等能够更好地控制重量,从而相比没有采用该技术的情况,在考虑不同塔架高度与类型的情况下,实现塔架减重10吨至30吨。其二是机组稳定性更高。实现降载的同时,EFarm能够使叶轮转速的跟踪控制更精准和平滑,有效降低变桨速率的波动范围以及减少变桨历程,从而降低变桨系统负担,提高机组稳定性。其三是平台适应性更强。通过降载EFarm延展了整个机型平台的适应能力,例如能够配置更大的叶轮,适应更高的风区及特殊的风况环境等。

EFarm激光雷达智能控制技术提升机组发电量的应用场景有两种:

一种是只要搭配了EFarm的机组,可直接提升约2%的发电量。这种场景下所提升的发电量,不仅来源于提前感知风况而实现的机组智能控制,还来源于精准测风与先进的对风偏航控制策略的结合可实现“精准对风”,令机头长时间地面向“风能最大”的位置。并且,EFarm结合降载控制、恶劣风况控制等功能,能够减少由于瞬时阵风、风向变化等引起的故障与安全停机时间,增加机组发电小时数。仅考虑提升2%的发电量,保守计算可在不到4年收回投资成本。

另一种应用场景是通过把降低的载荷转化为发电量,即在降低机组载荷的前提下,配置更大的叶轮或提升机组的适应风区,从而实现发电量提升5%至10%。

“以河南滑县项目为例,利用EFarm技术进行降载和机组配置升级,将原设计方案中计划采用的GW115-2.0MW机型升级为GW121-2.1MW,发电量提升7%”上述EFarm负责人介绍:“在另一个位于河北滦平的项目,通过相同的应用方式,将GW121-2.0MW机型升级为GW131-2.3MW,发电量则提升了12%。”

另外值得关注的是,降载的价值不仅在机组和风电项目设计阶段体现明显,并且在风电项目全生命周期中,对运维和质量成本的降低有着直接和积极的贡献。因此,雷达智能控制技术降载功能的价值,也必然会时时刻刻地体现在项目运营的整个过程中。金风科技的EFarm雷达智能控制技术在2017年获得了由DNV-GL颁发的设计认证证书,并在同年的北京国际风能大会暨展览会上正式推出。目前,其已获得来自3个国家、8个省份共约200万kW的项目采购意向。

“现在,因为能够有效降低投资,显著提升发电量,越来越多的业主开始关注并采用EFarm技术。以EFarm雷达智能控制技术为代表的此类技术,也已经逐渐成为风电行业应对风电竞价上网乃至平价上网的利器。”一位行业专家谈到。