基于弃风利用的风机塔筒升降机安装效益估算方法与流程

本发明属于电力规划技术领域，涉及基于弃风利用的风机塔筒升降机安装效益估算方法。

背景技术

自2006年《可再生能源法》实施以来，我国风电产业持续高速发展。然而，风电的随机性、电力装机容量过剩等特点，使大规模风电接入电网后会导致电网调度难度增加以及系统运行成本增大，致使风电场限电弃风现象严重。另外，在限电情况下风电场并网的发电量值低于调度中心下发限电值的情况时有发生，进一步降低风资源利用率，究其原因，风机故障检修造成发电量损失是造成该现象的原因之一。因此，如何提高风机故障检修效率来提高风资源利用率成为人们亟待解决的问题。我国大功率风电机组安装量逐年增加且平均高度达80米以上，以人工攀爬方式进行风机检修不仅存在人生安全隐患而且使检修效率低下。在风机塔筒内安装升降机可避免了人工攀爬塔筒时所带来的危害和耗费体力问题，但升降机运行势必造成能耗，鉴于弃风电量的边际成本几乎为零，使用弃风电量供升降机运行，进行“弃风供能”一方面可消纳弃风避免能源浪费，另一方面保障工作人员的人生安全，提高风机检修效率。

在弃风利用研究方面，风电场弃风电量的利用途径，指出弃风电量可通过如储能、供热等途径进行非并网利用与消纳；风电供热进行研究，利用蓄热式电锅炉将风能储存进行供热；利用弃风电量实现农业大棚清洁供热的技术。在塔筒升降机研究方面，从设计结构、属性方面介绍了塔筒升降机的设计安全性，并与人工攀爬和助力器攀爬方式进行对比，结果表明塔筒升降机具有显著优势。从现有文献分析，目前研究学者利用弃风电量用于供热、储能方面研究较多，用于升降机运行能耗研究较少，本文针对上述研究基础，提出升降机运行时消纳弃风电量的想法，并从风电场安装风机塔筒升降机效益方面考虑，通过对弃风消纳于升降机运行效益、升降机运行能耗成本、升降机安装后提高风电场检修效率效益、升降机安装影响检修人员投入量效益四个方面进行费用-效益分析，结合风电场实例进行验算，得出安装升降机后风电场效益结果。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供一种基于弃风利用的风机塔筒升降机安装效益估算方法，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是：基于弃风利用的风机塔筒升降机安装效益估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：弃风电量统计

采用概率分布统计各弃风电量阶段的概率，计算公式如式(1)：

式中：pi为各个弃风电量阶段的概率；s为弃风阶段数；ri为第i个弃风阶段出现的次数；

通过采用加权平均法将概率值作为弃风状态的权值，对风电场各个阶段弃风电量进行加权求和，计算风电场弃风电量，计算公式如式(2)；

式中：wq为弃风电量；pi为各个弃风电量阶段的概率，δw表示弃风电量间隔，一般取δw＝0.1wmax；

步骤二：检修人员投入量统计：

计算调整检修人员投入量后节约成本，计算公式如式(3)；

式中：cr为节约成本；crp为未安装升降机第r个检修人员年薪；l为未安装升降机投入检修人员数；crt为安装升降机后第r个检修人员年薪，l为安装升降机后投入检修人员数；

步骤三：升降机运行次数和能耗量化的统计：

风机检修时长对应的转换为人工攀爬次数后，以升降机运行次数代替人工攀爬次数，利用概率分布和加权平均法求取一日内升降机运行次数，如式(4)，(5)所示：

式中：pk为升降机运行k次的概率,rk为运行k次所出现的频数,n为统计数据个数,t为一日内整个风电场升降机运行总次数,u为运行的不同次数；

单台塔筒升降机一次运行与受力情况分析：

设升降机运行时加减速度相同的情况下，其运行曲线分为三种运行阶段，为加速h1、匀速h2、减速h3运行阶段，其运行时间如式(6)、(7)所示：

t1＝t3＝v/a(6)

式中：h1、h3分别为加速、减速运行段；t1、t2、t3为加速、匀速、减速运行时间；h为总运行高度；v为匀速运行速度；a为升降机运行加减速度；

升降机运行能耗分析

升降机功率大小在加速段运行时从零开始逐渐增大，匀速运行时保持不变，减速运行时逐渐减小至零；

加速段功率计算如式(8)：

匀速段功率计算如式(9)：

减速段功率计算如式(10)：

式(8)、(9)、(10)中：q为升降机载荷量；swp为升降机自重；g为重力加速度；η为升降机效率；

功率图的面积为升降机一次运行的耗电量，计算公式如式(11)：

式中：p1为加速段功率、p2为匀速段功率、p3为减速段功率、t1为加速运行时间、t2为匀速运行时间、t3为减速运行时间；

直流或交流变频电控系统的提升设备电耗计算，如式(12)所示：

式中kf为升降机辅助装置内部能耗系数；pi升降机运行段功率；ηd电动机效率；ti为各阶段运行时间；

将式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)代入式(12)得到塔筒升降机一次运行耗电量如式(13)：

式中：w为一次运行耗电量；ηd为电机效率，swp为升降机自重；q为升降机载荷量；η为升降机效率；kf为升降机辅助装置内部能耗系数；

风电场一日内升降机运行能耗情况计算如式(14)：

e＝t·w(14)

式中：e为风电场一日内升降机运行能耗；t为一日内整个风电场升降机运行总次数；w为一次运行耗电量；

步骤四：风电场费用-效益计算：

风电场并网发电时增加收益计算公式如式(15)：

式中：wf为第i日并网发电量；n为并网发电天数；cx为并网电价；pg为风机故障检修概率；t/2为升降机提升阶段运行次数，tp为人力攀爬一次时间；tt为升降机运行一次时间；

弃风利用效益计算公式如式(16)所示：

cq＝t·w·cqy(16)

式中：t为运行总次数，w为一次运行能耗；cqy为弃风损失单价；

升降机一日内投资成本，计算公式如式(17)所示：

式中：ct为一台升降机成本；m为安装的台数；n为使总用年限；

升降机一日内的维护成本，计算公式如式(18)：

ctw＝ctt·x％(18)

式中：ctw为升降机一日内的维护成本；ctt为升降机一日内投资成本；x％为成本的百分值；

一日内风机检修时升降机运行成本，计算公式如式(19)：

cyy＝t·w·cy(19)

式中：t为运行总次数，w为一次运行能耗；cy为能耗单价；

安装升降机后，一日内风电场费用-效益计算，计算公式如式(20)：

c＝cxy+cr+cq-ctt-ctw-cyy(20)；

式中：c为一日效益；ctt为升降机投资成本；ctw为升降机维护成本；cyy为升降机运行成本；cxy为提高风电场检修效率效益；cr为人员节约成本；cq弃风利用效益。

优选的，所述升降机一次运行能耗的相对误差为3.85％，且塔筒升降机能耗较小。

本发明的有益效果是本发明针对在风机塔筒内安装升降机可避免了人工攀爬塔筒时所带来的危害和耗费体力问题，使用弃风电量供升降机运行，进行“弃风供能”，通过数据对弃风电量、检修人员投入量、升降机运行次数评估与能耗量化、风电场费用-效益建模四个方面进行分析，表明塔筒升降机的安装后一方面可消纳弃风避免能源浪费，另一方面保障工作人员的人生安全，提高风机检修效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是风机塔筒升降机运行曲线图；

图2是风机塔筒升降机各运行段受力和功率图；

图3是各弃风状态概率分布图；

图4是一日内风机检修人工攀爬次数概率分布图；

图5安装塔筒升降机费用-效益分析图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

基于弃风利用的风机塔筒升降机安装效益估算方法，所述弃风电量统计的包括以下步骤：

步骤一：弃风电量统计

采用概率分布和时间序列的分析，统计每日10:00-20:00间各个弃风电量阶段所占概率；

(1)以每日10:00-20:00时段内的弃风电量为一个数据单位，设wmax为弃风电量的最大值，规定δw表示弃风电量间隔，一般取δw＝0.1wmax，用s表示数据采集范围内划分10个弃风电量阶段，若w为10:00-20:00内弃风电量的任意值，则有w∈{δw(i-1),δw·i}；

采用概率分布统计各弃风电量阶段的概率，计算公式如式(1)

式中：pi为各个弃风电量阶段的概率；s为弃风阶段数；ri为第i个弃风阶段出现的次数；

通过采用加权平均法将概率值作为弃风状态的权值，对风电场10:00-20:00时间的各个阶段弃风电量进行加权求和，计算风电场弃风电量，计算公式如式(2)；

式中：wq为弃风电量；pi为各个弃风电量阶段的概率，δw表示弃风电量间隔，一般取δw＝0.1wmax。

步骤二：检修人员投入量统计：

专家调查法是以专家为对象来索取信息的分析方法，依靠专家的知识和经验对调查研究问题做出判断、评估和预测。采用专家调查法评估安装塔筒升降机后风电场检修人员投入量，并以检修人员平均年薪计算节约成本，具体步骤如下：

(1)分析风电场历史检修数据，经风电场专家经验描述，统计内容需包括检修组总人员数；检修风机总台数、故障及日常检修风机台数、一日内检修两台风机及以上的人数、检修时长小于或大于3小时的次数。

(2)通过风电场专家经验结合历史数据分析，给出合适的人员投入量调整方案；

(3)计算调整检修人员投入量后节约成本，计算公式如式(3)；

式中：cr为节约成本；crp为未安装升降机第r个检修人员年薪；l为未安装升降机投入检修人员数，crt为安装升降机后第r个检修人员年薪；l为安装升降机后投入检修人员数。

步骤三：升降机运行次数和能耗量化的统计：

风机检修时长与攀爬次数对应关系确定：

检修时长及上下攀爬次数有以下几个特点：

(1)日常巡检时长一般在3小时以内，且不经过就餐时间；

(2)故障检修时，考虑检修人员生理因素，3-6小时检修时长统一在三小时以内的基础上增加两次，6-9小时增加四次，9小时以上增加六爬次数；

综上考虑，设定检修时长与人工攀爬次数关系为3小时以内上下攀爬共两次，3-6小时上下攀爬为四次，6-9小时上下攀爬为六次，9小时以上上下攀爬为八次；

风机检修时长对应的转换为人工攀爬次数后，以升降机运行次数代替人工攀爬次数，利用概率分布和加权平均法求取一日内升降机运行次数，如式(4)，(5)所示：

式中：pk为升降机运行k次的概率；rk为运行k次所出现的频数；n为统计数据个数；t为一日内整个风电场升降机运行总次数；u为运行的不同次数；

单台塔筒升降机一次运行与受力情况分析：

设升降机运行时加减速度相同的情况下，其运行曲线分为三种运行阶段，如图1，为加速h1、匀速h2、减速h3运行阶段，其运行时间如式(6)、(7)所示：

t1＝t3＝v/a(6)

式中：h1、h3分别为加速、减速运行段；t1、t2、t3为加速、匀速、减速运行时间；h为总运行高度；v为匀速运行速度；a为升降机运行加减速度；

升降机运行能耗分析

升降机功率大小在加速段运行时(ft提升力>提升系统重力)从零开始逐渐增大，匀速运行时(ft提升力＝提升系统重力)保持不变，减速运行时(ft提升力<提升系统重力)逐渐减小至零，如图2所示；

加速段功率计算如式(8)：

匀速段功率计算如式(9)：

减速段功率计算如式(10)：

式(8)、(9)、(10)中：q为升降机载荷量；swp为升降机自重；g为重力加速度；η为升降机效率；

由图2可知，功率图的面积即为升降机一次运行的耗电量，计算公式如式(11)：

式中：p1为加速段功率、p2为匀速段功率、p3为减速段功率、t1为加速运行时间、t2为匀速运行时间、t3为减速运行时间；

直流或交流变频电控系统的提升设备电耗计算，如式(12)所示：

式中kf为升降机辅助装置内部能耗系数；pi升降机运行段功率；ηd电动机效率；ti为各阶段运行时间；

将式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)代入式(12)得到塔筒升降机一次运行耗电量如式(13)：

式中：w为一次运行耗电量；ηd为电机效率，swp为升降机自重；q为升降机载荷量；η为升降机效率；kf为升降机辅助装置内部能耗系数；

风电场一日内升降机运行能耗情况计算如式(14)：

e＝t·w(14)

式中：e为风电场一日内升降机运行能耗；t为一日内整个风电场升降机运行总次数；w为一次运行耗电量；

在本实施例中，为便于计算验证，统一以提升阶段能耗作为升降机一次运行能耗，以此计算整个风电场升降机运行总能耗；

步骤四：风电场费用-效益计算：

风电场并网发电时增加收益：

在限电的情况下，风电场并网发电收益直接受风机发电时长和风速的影响。若风速恰巧满足当日风电场要求时，则风机故障检修时长势必影响风电场并网发电收益。因此，塔筒升降机的安装可减少攀爬时间，提高检修效率，增加风机正常发电时长，从而增加并网发电量。假设提高的风机检修效率只考虑从地面上升到风机顶部时节约的攀爬时间，则升降机载人到风机顶部比人工攀爬所节约的时间即是风机增加的正常发电时长，则一日内风电场并网发电时增加收益计算公式如式(15)：

式中：wf为第i日并网发电量；n为并网发电天数；cx为并网电价；pg为风机故障检修概率；t/2为升降机提升阶段运行次数，tp为人力攀爬一次时间；tt为升降机运行一次时间。

弃风利用效益计算公式如式(16)所示：

cq＝t·w·cqy(16)

式中：t为运行总次数，w为一次运行能耗；cqy为弃风损失单价；

升降机一日内投资成本，计算公式如式(17)所示：

式中：ct为一台升降机成本；m为安装的台数；n为使总用年限；

升降机一日内的维护成本，计算公式如式(18)：

ctw＝ctt·x％(18)

式中：ctw为升降机一日内的维护成本；ctt为升降机一日内投资成本；x％为成本的百分值；

一日内风机检修时升降机运行成本，计算公式如式(19)：

cyy＝t·w·cy(19)

式中：t为运行总次数，w为一次运行能耗；cy为能耗单价；

安装升降机后，一日内风电场费用-效益计算，计算公式如式(20)：

c＝cxy+cr+cq-ctt-ctw-cyy(20)；

式中：c为一日效益；ctt为升降机投资成本；ctw为升降机维护成本；cyy为升降机运行成本；cxy为提高风电场检修效率效益；cr为人员节约成本；cq弃风利用效益。

实施例2：

本实施例的所有数据来源于新疆达坂城某风电场，该风电场装机容量为50mw，25台2mw的风电机组，目前部分风电机组安装了升降机，为方便验算，假设在25台风电机组都装有升降机的情况下进行分析:

1、弃风电量统计：

通过matlab软件编程，对风电场一年的数据进行处理，求得一年内10:00-20:00时间段各弃风阶段概率分布，结果如图(3)：

由上图3可知，弃风阶段主要集中在1t-4t之间，且上班时段弃风电量最大值为448.9mw，由式(2)计算得到风电场每日10:00-20:00时间段弃风电量约为124.8mw，若将弃风电量部分消纳于升降机运行能耗，可以进一步利用风资源。

2、检修人员投入量统计：

对风电场检修工作情况表整理与分析，得出下表1：

表1检修人员投入情况表

剔除有误数据后最终统计一年中327天检修情况，数据中进行检修的风机台数达1179台，每日需检修人员4人及以内占91％，检修时长3小时以内占60.53％，一人检修多台风机情况占比为42.5％，风电场专家经验考虑后，可在原来6人的检修小组的基础上减少一名检修人员的投入，原因如下：

(1)4人即可满足一般情况风机检修要求，考虑突发状况，可安排5人；

(2)从检修数据分析，一人检修多台风机占比为42.5％，升降机安装后可有效节省体力，可采用一人检修多台风机的方法来增加日常巡检量，降低风机故障率；

风电场安装升降机后在减少一人的情况下利用式(3)计算一年可为风电场节省约7万元；

3、升降机运行次数评估与能耗量化：

(1)塔筒升降机运行次数统计，利用matlab对预处理后的数据进行统计，结果如图4所示，由图4可知一日内风机检修人工攀爬次数多为8-16次，由式(4)、(5)计算一日内风电场升降机运行次数，结果约为13.1次，则一年内约为4781.5次。

(2)塔筒升降机运行能量量化结果：本申请采用的塔筒升降机所用型号为ts-240/9，运行速度9m/min，升降机所用的电动机型号yej90l-4，功率为1.5kw，额定提升力6.3kn，升降机在加速上升(下降)运行和减速上升(下降)运行时间段仅为0.1至0.01秒间，提升阶段和下降阶段的加减速过程能耗差别非常小，因此统一以提升阶段能耗作为升降机一次运行能耗。升降机正常工作时，升降平台对升降机的作用力系数为1.25，即升降机效率为0.8，且升降机的电动机效率也取0.8，升降机载荷量q取额定载荷量240kg，整机自重swp取250kg，塔筒高度h取80m，kf取1.05，代入式(13)得升降机运行一次耗电量约为0.175kw·h。由风电场安装升降机初期满载试运行1000次总耗电量为182kw·h可知，则平均一次运行耗电量为约0.182kw·h，结果可知，升降机一次运行能耗的绝对误差为0.007kw·h，其相对误差为3.85％。

4、风电场费用-效益建模

投资及维护成本：在风电场安装的台数m为25台风机都装有塔筒升降机的情况下，单价ct为10万元，使用年限n为20年，由式(17)计算得出一台升降机一日的投资成本为13.7元，从而得出一年25台升降机投资成本ctt约为12.5万元，维护费按成本10％，由式(18)计算，则平均一年维护费1.25万元。

升降机运行成本：风电场一年内升降机运行次数t为4781.5次，一次运行能耗w为0.175kw·h，运行能耗单价cy取0.51元/kw·h，由式(19)计算得出升降机一年运行成本426.75元。

人员节省成本：由实施例2中第2部分可知减少一个检修人员，按一人年薪7万计算，可节省7万元。

提高检修效率的效益：检修时人工攀爬到风机顶部时长tp约为10分钟，而搭乘塔筒升降机tt则需要9分钟，且风机故障检修概率为56.66％，统计2016年全年该风电场每分钟并网电量为187.44kw·h，由式(15)计算，利用升降机进行风机故障检修一年可带来效益为13.18万元。

弃风利用效益：该风电场每日10:00-20:00弃风电量均值为124.8mw，将弃风电量用于升降机检修运行时，则一年内可节省426.75元能耗支出。

如图5，为风电场在弃风利用的情况下安装塔筒升降机费用-效益关系图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。