輸出特性函數(shù)對風(fēng)力機容量系數(shù)計算的影響

吳政球，楊星光

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

輸出特性函數(shù)對風(fēng)力機容量系數(shù)計算的影響

吳政球，楊星光

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

傳統(tǒng)風(fēng)力機容量系數(shù)的計算由于風(fēng)力機輸出特性函數(shù)的選取不同有著較大誤差。為了準確進行風(fēng)力機容量系數(shù)的計算，文中結(jié)合實際情況對輸出特性函數(shù)的選擇加以考慮，分別采用3種輸出特性函數(shù)模型即線性函數(shù)、二次函數(shù)和三次函數(shù)，選取我國云南省紅河作為風(fēng)速觀測點，用5種常見風(fēng)力機進行實例計算，并對結(jié)果對比分析。仿真表明：風(fēng)力機實際風(fēng)速-功率關(guān)系曲線分布在很寬范圍內(nèi)，輸出特性函數(shù)的選取對風(fēng)力發(fā)電機容量系數(shù)計算結(jié)果影響很大。本計算分析結(jié)果對風(fēng)力發(fā)電具有一定的理論意義和實用價值。

風(fēng)力發(fā)電機；容量系數(shù)；輸出特性函數(shù)；風(fēng)速-功率特性曲線

隨著人類對生態(tài)環(huán)境的要求和能源的需要，風(fēng)能的開發(fā)日益受到重視，風(fēng)力發(fā)電將成為21世紀大規(guī)模開發(fā)的可再生清潔能源。風(fēng)力發(fā)電以其可再生無污染的巨大優(yōu)勢，在世界各國得到高度重視并得到迅速發(fā)展。

風(fēng)力機容量系數(shù)的計算對風(fēng)電場有著舉足輕重的作用。容量系數(shù)為風(fēng)力機經(jīng)濟效益比較與選型的標準。在風(fēng)電場的設(shè)計規(guī)劃中，要求風(fēng)力機具有較高的風(fēng)能利用率和較低的發(fā)電成本，也就是希望風(fēng)力機具有較高的可用率和容量系數(shù)，因此國內(nèi)外很多學(xué)者對容量系數(shù)的計算做了大量分析。文獻[2]通過實例計算得出風(fēng)力機容量系數(shù)對風(fēng)電場的設(shè)計有重要意義，它決定了風(fēng)電場的發(fā)電量與發(fā)電成本，是風(fēng)電場選址和風(fēng)力機選型的標準，同時也指出了風(fēng)力機參數(shù)對容量系數(shù)計算的影響。文獻[1，3，4]都不同程度地用到了風(fēng)力機容量系數(shù)的計算.但在計算時都未考慮風(fēng)力機輸出特性函數(shù)的選擇對容量系數(shù)的影響。

本文在容量系數(shù)的計算中，首次對風(fēng)力機輸出特性函數(shù)的選擇分別采用了線性函數(shù)、二次函數(shù)和三次函數(shù)，并對計算結(jié)果進行了比較。選取我國云南省紅河作為風(fēng)速觀測點，通過5種風(fēng)力機實例計算結(jié)果的對比分析證明，風(fēng)力機輸出特性函數(shù)的不同選擇對風(fēng)力機容量系數(shù)的影響較大，這種分析對風(fēng)電場的設(shè)計與運行有著重要意義。

1 計算原理

1.1 風(fēng)力機容量系數(shù)的計算

風(fēng)力機的容量系數(shù)F是指，一個地點風(fēng)力機實際能夠得到的平均輸出功率與風(fēng)力機額定功率之比，也是風(fēng)力發(fā)電機組年平均輸出功率Pa與額定功率Pr之比，即

它是風(fēng)電場選址和風(fēng)力機選型的重要依據(jù)，也是風(fēng)電場經(jīng)濟性的重要指標。容量系數(shù)越大，風(fēng)力機的實際輸出功率越大，風(fēng)電場選在容量系數(shù)大于30%的地區(qū)，有較明顯的經(jīng)濟效益。

1.2 風(fēng)能概率密度的計算

Pw（v）為風(fēng)能概率密度，對風(fēng)能密度的計算一般采用威布爾（Weibull）公式，它最接近風(fēng)速的實際分布，風(fēng)速v的概率分布函數(shù)為

式中，c、k分別是Weibull分布函數(shù)的尺度函數(shù)與形狀參數(shù)，利用風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，通過最小二乘法、方差法和最大值法等3種方法可確定c、k值。

通常觀測到的風(fēng)速并非風(fēng)力機葉輪輪轂處的風(fēng)速值，應(yīng)該根據(jù)所選風(fēng)力機葉輪輪轂的高度，由觀測處風(fēng)速值折算出風(fēng)力機葉輪輪轂處的風(fēng)速，其經(jīng)驗公式有多種，通常采用

式中：h為風(fēng)力機葉輪輪轂距離地面的高度；v1為高度h1觀測處風(fēng)速；b為變化指數(shù)，取決大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度，其值（1/2～1/8），一般取值為1/7。

1.3 風(fēng)力機輸出功率的計算

P（v）為風(fēng)力機的輸出功率，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率取決于風(fēng)速值，風(fēng)力機的輸出功率與風(fēng)速之間具有不確定性，輸出功率處于以理論曲線為中心的一個帶狀區(qū)域內(nèi)。如圖1所示。

風(fēng)力機輸出功率的函數(shù)表達式為

式中：vi、vr、vc分別為風(fēng)力機的啟動風(fēng)速、額定風(fēng)速和截止（停機）風(fēng)速；η（v）為風(fēng)速介于vi和vc之間時，發(fā)電機的輸出功率與額定功率之比，稱之為輸出特性，是一個與風(fēng)速有關(guān)的復(fù)雜函數(shù)。

圖1 實際風(fēng)速-功率特性曲線Fig.1 Actual wind speed-power characteristic curve

通常所見的近似表示風(fēng)力機輸出特性函數(shù)有3種，即線性函數(shù)、二次函數(shù)和三次函數(shù)。傳統(tǒng)的方法在進行容量系數(shù)計算的過程中，風(fēng)力機輸出特性函數(shù)η（v）的選擇通常為線性函數(shù)，即

考慮到風(fēng)力機的輸出功率與風(fēng)速之間的關(guān)系曲線有著不同的形狀，實際的風(fēng)速-功率關(guān)系分布在很寬的范圍內(nèi)，因此傳統(tǒng)的計算方法并沒有很好的考慮到風(fēng)力機輸出特性函數(shù)的不同選擇對容量系數(shù)計算結(jié)果的影響，因而不能很好地對風(fēng)力機的經(jīng)濟效益比較和選型做出準確的評估。

本文考慮到實際運行的風(fēng)力機，對應(yīng)于同一風(fēng)速的輸出功率不僅不是單值的，而且功率值分布在一個很寬的區(qū)域內(nèi)，因此分別用不同的輸出特性函數(shù)進行計算，即分別取

所得的容量系數(shù)對應(yīng)為F1、F2、F3，并對計算結(jié)果進行比較分析。

2 實例計算與比較分析

本文考慮對風(fēng)力機輸出特性函數(shù)進行不同選擇，選取我國云南省紅河觀測點作為計算實例，其中的風(fēng)速特性參數(shù)均來自風(fēng)能評估資料（見表1），同時再選取相近容量的5種常見風(fēng)力機型（見表2），按照上文計算方法，編制Matlab程序，可計算得到各風(fēng)力機對該觀測點的容量系數(shù)，繪于表3。

表1 風(fēng)速觀測點風(fēng)速分布特性參數(shù)Tab.1 Distribution characteristic parameter of wind speed observation point

表2 風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of wind speed generator

表3 容量系數(shù)計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of capacity factor

從表3數(shù)據(jù)可知，風(fēng)力機輸出特性函數(shù)η（v）分別取線性函數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)時，最終計算的容量系數(shù)結(jié)果有著較大誤差，可知風(fēng)力機輸出特性函數(shù)的選擇對容量系數(shù)有一定影響。因此在計算風(fēng)力機容量系數(shù)時必須結(jié)合實際情況對輸出特性函數(shù)的選擇加以考慮，以取得最佳的效果。

3 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)的對風(fēng)力機容量系數(shù)計算方法的基礎(chǔ)上，充分考慮到輸出特性函數(shù)η（v）的不同選擇會對計算結(jié)果造成較大影響，通過對5種風(fēng)力機選擇不同的輸出特性函數(shù)η（v）進行實例計算和對比分析，清晰地驗證了這一結(jié)論。同時以上分析也間接證明了風(fēng)力機實際的風(fēng)速-功率關(guān)系分布在很寬的范圍內(nèi)，而不是一條單一的曲線。

如何獲取更有效地代表風(fēng)電力機的風(fēng)速-功率曲線，從而更準確地計算風(fēng)力機的容量系數(shù)，是一個值得深刻探討的問題。這個問題的提出對風(fēng)力機經(jīng)濟效益比較與選型有著重要參考價值。

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Influence of Output Characteristic Functions on the Capacity Factor Calculation of Wind Power Generator

WU Zheng-qiu，YANG Xing-guang
（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

The traditional capacity factor calculation methods differ from each other due to the different output characteristic functions of the wind power generator.In order to accurately calculate the capacity factor of the wind power generator，the different selection of output characteristic functions according to the actual situation is taken into account，respectively adopt three kinds of output characteristic function，namely，linear function，quadratic function and cubic function.Taking the area of Honghe in Yunnan Province as the wind speed observation point，five kinds of common wind power generator are calculated and the results are compared and analysed.The simulation shows that the actual wind speed-power relation curve varies within a relatively wide range，and the different output characteristic functions in the capacity factor calculation of the wind power generator lead to hugely different calculations.The above calculation and analysis is of certain theoretical significance and practical value for the wind power generation.

wind power generator；capacity factor；output characteristic function；wind speed-power characteristic curve

TM715

A

1003-8930（2013）06-0084-03

吳政球（1963—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)的教學(xué)與研究工作。Email：zhengqiuwu@163.com

2012-01-04；

2012-02-27

楊星光（1984—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。Email：yangxg2519@163.com