随着装机容量的越来越多，风资源越来越匮乏，在役风场业主对发电量的需求增加，伴随着风电技术的进步，风电机组的增功技术越来越成熟，逐渐成为在役风电场提升发电量的重要手段。本文以某风场已进行叶尖延长的2MW风电机组为例，说明其进行叶尖延长可实施的理论依据，通过对技改前后运行数据的分析，给出实际增功提效效果，为叶尖延长技改的提供了重要的实践数据。
叶尖延长 数据分析 实际增功效果
截止年年底，国家能源局公布风电装机总规模达到2.09亿千瓦，总装机量位居全球第一。经过30多年的发展，我国风电技术水平取得了很大的进步，设计更加完善，工艺更加先进，质量更加可靠，大多数研究表明，我国近地表平均风速及风能呈减小趋势，技术的进步加上风能减弱，带来了对早期装机的现役风电机组的改造提升的需求和可行性。早期安装的机组基本为直接引进国外技术，设计机组适宜国外风资源，而国内风资源和国外风资源有较大差异，因此早期在役机组风轮捕风能效和经济性方面都有提升的空间。本文以2MW机组为例，2MW的在役机组较多，如何其进行增功技改，提高机组的发电量和业主的收益是一项值得研究课题。目前机组增功的方式较多，包括：叶根延长、叶尖延长、叶尖双小翼、增装涡流发生器等，采用哪种方式，需要根据机组、风场的实际情况，并进行经济性分析后最终确定。
叶尖延长即风轮扫风面积增加，直接影响机组吸收的风能，是提升机组发电量的最直接的手段，本文主要从某风场的实际情况出发，分析此风场进行叶尖技改的可行性，并对技改前后的数据进行分析，给出实际提效效果，为其他风场进行叶尖延长技改提供有力的理论和实践依据。
1.叶尖延长可实施性分析叶尖延长是否可实施需要考虑两方面的因素：一是风资源因素，二是技术因素。
1.1风资源对比回顾中国风电发展的历程可知，中国早期机组主要以国外引进为主，而国外机组以国外风资源为基础设计的，和中国各地的风资源情况有差异，正是由于机组设计风资源和实际安装现场风资源的差异为机组叶尖延长增功技改提供了可能。本文以某风电场2MW机组为例进行分析。
某风电场2MW机组的设计参数见表1-1。
表1-1：某2MW机组设计参数
参数
值
机组额定功率（kW）
湍流强度，
0.16
年平均风速（m/s）
6.5
轮毂中心处50年一遇3s阵风风速（m/s）
52.5
轮毂中心处50年一遇10min平均风速（m/s）
37.5
空气密度（kg/m3）
1.
某风场实际风资源参数见表1-2：
表1-2：某2MW机组装机风场风资源参数
参数
值
空气密度（kg/m3）
1.2
可研轮毂高度年平均风速（m/s）
5.77
年轮毂高度年平均风速（m/s）
4.88
年轮毂高度年平均风速（m/s）
4.84
可研轮毂中心处50年一遇3s阵风风速（m/s）
42.24
可研轮毂中心处50年一遇10min平均风速（m/s）
30.5
可研湍流强度，
0.
从表2可以看出，现场年、年轮毂高度处年平均风速均低于可研报告中年平均风速。另外需要说明的是表2中给出现场整场的年平均风速，单台机组实际点位的年平均风速各有差异，根据统计，风场中单台机组的年平均风速的范围为4.45m/s-5.14m/s，折算到标准空气密度下为4.42m/s-5.1m/s,单台机组年年平均风速范围为4.41m/s-5.12m/s，折算到标准空气密度下为4.38m/s-5.08m/s。由此可以看出不同年份，风场的风速会有差异，考虑到安全性，本文风资源对比采用单台机位点年平均风速最高值：5.12m/s。
机组设计风资源和现场风资源对比：年平均风速和湍流强度均存在的设计裕度，两个参数表示的是机组疲劳载荷的参数，表明机组的疲劳载荷设计有裕量；轮毂中心处50年一遇10min平均风速存在设计裕度，此参数表示机组极限载荷的参数，表明机组极限载荷设计有裕量。从风资源对比来看，此机组运行于此风场具有叶尖延长的可能。
1.2叶尖延长的技术分析叶尖延长作为风力发电机组重要的增功手段，不管从设计或者施工方面都比较成熟。叶尖延长增效技术基于传统的动量叶素理论，通过增大风轮扫风面积实现机组增效，已经被证明是技术可行、安全、环保且具有经济性的提高风机发电量的方法。
针对此2MW机组，其叶片和机组均为我司集团本部设计、研发、安装的机组，因此进行叶尖延长具有绝对的优势，从叶片的设计、施工等方面应用先进的设计理念、设计工序。
气动方面：叶尖延长部分采用高升阻比层流翼型，对叶片延长段的外形进行气动迭代优化，使机组安全性和发电性能达到最佳匹配，保证在有限的延长长度下，发电量最大化。
安全性方面：应用专用软件对延长后的叶片进行强度校核，叶片连接部分采用合理的拟合曲线，保证叶尖延长位置与原叶片过渡平滑光顺，使得叶片气动载荷不会产生突变，保证了叶片结构设计的合理性与安全性。
施工方面：安装工艺方面做了充分的工作，设计了专门的定位和安装的工装。
总之，从设计到施工工艺等均经过或理论或试验验证，保证设计后的叶片及风电机组的安全、可靠、经济性。综上所述，针对此2MW机组叶尖延长，从技术上具有绝对的实力和能力。
2.叶尖延长设计应用2.1延长距离的确定在叶尖延长设计中需要考虑实际的机组情况和现场分资源的情况，并考虑经济性来确定叶片的延长距离。在实际设计中是延长叶片的设计、载荷计算、经济性分析迭代计算后确定叶片延长的长度。
应用实际风资源参数对整机安全性、可靠性、发电性能整体评估后，在保持机组原配置，保障机组安全稳定运行的前提下，最终确定机组的叶片延长2m。叶尖延长2m后，机组理论提效百分数见表2-1。
表2-1：不同年平均风速下此机组叶尖延长提效百分数
年平均风速（m/s）
理论提效百分数
4
7.64%
4.5
6.59%
5
5.73%
5.5
5.01%
6
4.40%
6.5
3.87%
表2-1只展示了4-6.5m/s年平均风速下的提效效果，是由于此机组的设计年平均风速为6.5m/s，并结合此风场风资源的实际情况，只需要展示年平均风速6.5m/s以下的年平均风速的提效百分数即可，其他风场的提效效果需要根据其实际年平均风速来计算，本文未展示。可以看出不同的年平均风速，机组的提升百分数不同，年平均风速越低提效百分数越高，充分证明了长叶片的低风适应性更好的理论。
另外需要说明的是，理论提升百分数只能作为最终增功效果的参数，因为实际的情况比较负责，包括叶片的实施工艺、机组实际点位的地形和风资源的情况等均和理论存在差异。
2.2设计施工基本设计：在设计过程中，保障机组安全稳定运行的前提下，采用在原叶片的叶尖指定位置粘接叶尖延长翼以使叶片加长。尖延长翼的翼型、弦长、扭角、相对厚度、变桨轴线等参数与原叶片设计标准一致，外形精确，结构合理。叶尖延长翼经过详细模拟计算设计，保证叶尖延长翼的设计安全和气动效率。
增功优化：为了保证机组的增功效果，叶尖延长后，机组的控制参数进行相应的优化。
安全性保障：对整机载荷进行仿真计算，利用专用软件对叶片结构进行强度校核，保证叶片、机组结构安全可靠。
连接强度保证：研发经过系列强度实验、包括疲劳和粘接部位强度试验，以确保安全。符合标准的静载实验保证叶尖延长翼与原叶尖的粘接强度，验证叶尖套的结构强度，严谨规范。
现场施工：采用大型回型平台和小平台相结合的形式，结合自主研发的夹持工装、专用粘接剂进行安装，高效、经济、安全可靠。
图2-1：现场施工
3.增功效果分析本节主要介绍增功效果分析过程，包括数据源，数据清洗方法，增效评估方法，增效效果展示。
3.1数据源增功效果分析所用数据均为SCADA中10分钟均值数据，包括变量为：风速、功率、发电机转速、桨距角、温度等。
数据源时间为技改前后同时期的时间段，至本文撰写时，进行叶尖延长技改的机组进行技改后已运行4个月的时间，对于数据分析，按照经验来看，1个月的数据如果能包含额定风速以下和额定风速以上的部分的风速范围，则一个月的数据即可以分析，当然在实际分析中，数据越多分析结果会更客观。因此4个月的数据对于增功效果分析是可用的。本文采用技改前同时期4个月时间的数据和技改后同时期4个月的数据。
3.2数据清洗方式在进行功率曲线分析时，只有正常运行的数据才是拟合功率曲线的有效数据，如果数据清洗方法不合理将造成拟合的实际功率曲线不客观，通过大量的功率曲线分析经验，结合收到数据的实际情况，本文采用风力发电运行机理和大数据剔除数据方式相结合的方式进行数据清洗，把下列数据从数据源中剔除：
（1）风机未并网运行期间数据，含故障停机、维护、待风等期间未并网运行数据；
（2）风机限功率运行期间数据，含限电等引起的限功率运行数据；
（3）其他异常数据。
最终达到的效果见图3-1和图3-2（以其中一台技改机组14#为例）。
图3-1：机组功率散点（原始数据）
图3-2：机组功率散点图和拟合功率曲线（数据清洗后）
从上面两个图中可以看出，数据清洗后，不仅限功率的数据剔除了，其他一些散落的异常点也剔除了，应用剩下的有效数据进行功率曲线拟合。
3.3增效评估方法图3-3：机组技改前后实际功率曲线和实际风频分布
为了准确分析各台风力发电机组提效效果，本文原则上参照标准IEC-12-1和GB/T.2-《风力发电机组功率特性试验》所述方法，通过收集所改造风机的运行数据（10分钟平均数据），经过数据筛选、处理和分析，得到机组改造前后的功率曲线，根据单台风电机组机舱风速频率分布统计结果，推算风机年理论发电量AEP，评估风机技改后发电量的提升效果。
对于本风场而言主要采用实际拟合功率曲线和年、年单台机组对应的实际风频分布，进行理论年发电量的推算，从而计算技改前后发电量的提升效果。技改前后的实际功率曲线和风频分布见图3-3（以14#机组为例）：
3.4增效效果展示本节主要分析增功提效效果，此风场进行叶尖延长的机组共计13台，每台机组的点位不同、地理位置不同，因此风资源情况也不同，风资源的差异会影响机组的增功提效效果，此部分已在2.1节说明，不同的年平均风速叶尖延长后的的提效百分数不同。单台年平均风速展示见表3-1。技改前后机组功率曲线横向对比见图3-6和图3-7。增功提效百分数见表3-2。
表3-1：技改机组单台年平均风速
机位号
年平均风速（m/s）
年
年
1#
4.72
4.42
2#
4.98
4.62
4#
4.41
4.06
5#
4.95
4.58
6#
4.67
4.46
7#
4.95
4.76
8#
4.68
4.32
9#
4.64
4.20
12#
5.09
4.74
13#
5.12
4.77
14#
4.93
4.59
16#
5.06
4.67
17#
5.28
4.92
平均值
4.88
4.55
图3-6：机组技改前功率曲线横向对比图3-7：机组技改后功率曲线横向对比表3-2：平均单台机组增功提效统计
提效百分比
年风频
年风频
单台平均年发电量提升百分比
5.62%
5.73%
4.结论进行叶尖延长技改的技术已比较成熟，在实际应用中注意以下方面：实际风场的机组是否具有叶尖延长的可实施性，要考虑实际风资源情况和机组设计风资源情况是否匹配，在不匹配的情况下才具有实施性。在设计过程中需要从机组情况和实际的风资源情况出发，根据载荷计算、强度校核的结果，进行经济性分析后，综合确定叶尖延长的距离，保证叶尖延长后的安全性和风场收益的最大化。
针对不同的年平均风速，机组的提效效果因风机点位的地理位置、机组的施工工艺等横向对比会有差异，和理论计算的结果也会有差异，具体差异的原因有待进一步研究。本文中案例中，根据增功前后各4个月的数据进行分析，增功后的提效效果为平均单台机组年发电量增发5.63%（年风频）和5.73%（年风频），达到了预期的效果。
本文叶尖延长的实施案例和数据分析结果，为叶尖延长增功方式提供了实施后的有力实际数据，为其他风场进行叶尖延长提供了可靠的参考依据。
参考文献：
[1]IEC-1Windturbines-Part1Designrequirements，Edition；
[2]IEC-12-1:，Windturbines-Part12-1：Powerperformancemeasurementsofelectricityproducingwindturbines.
作者：润阳能源技术有限公司李娟刘昊
来源：《风能产业》.02往期精彩回顾重磅发布《中国风电后市场发展报告（-）》技术交流
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