風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率特性復(fù)雜性分析

文|王明軍，莫爾兵

攝影：苑春陽

目前，實(shí)際運(yùn)行功率曲線考核風(fēng)電機(jī)組性能受到業(yè)內(nèi)人士的過度重視。國內(nèi)大部分整機(jī)制造商都是通過的設(shè)計(jì)評(píng)估或設(shè)計(jì)認(rèn)證，在認(rèn)證時(shí)并未對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率曲線進(jìn)行測試。因此，大部分制造商提供的擔(dān)保功率曲線是通過設(shè)計(jì)仿真計(jì)算出來的理論功率曲線（靜態(tài)功率曲線），但由于現(xiàn)場風(fēng)況、傳動(dòng)鏈阻尼、系統(tǒng)測風(fēng)等因素的影響，風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際功率曲線與理論曲線會(huì)存在差異。

實(shí)際運(yùn)行功率曲線的外界影響因素很多，也極其復(fù)雜。因此，風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行得到的功率曲線很難準(zhǔn)確反映機(jī)組的出廠性能。也就是說，從一定程度上講，風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線與出廠性能之間的相關(guān)性較差。另一方面，風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線，因其可以反映機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與機(jī)位的風(fēng)況條件，對(duì)判斷和處理機(jī)組故障十分有利。然而，業(yè)內(nèi)人士對(duì)此卻普遍關(guān)心較少。

風(fēng)電機(jī)組的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)功率曲線

功率曲線是風(fēng)電機(jī)組的重要運(yùn)行性能的表現(xiàn)形式。所謂功率曲線就是以風(fēng)速(vi)為橫坐標(biāo)，以有功功率Pi為縱坐標(biāo)的的一系列規(guī)格化數(shù)據(jù)對(duì)(vi,Pi)所描述的特性曲線。

標(biāo)準(zhǔn)功率曲線是在標(biāo)準(zhǔn)工況下，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算給出的風(fēng)速與有功功率的關(guān)系曲線。標(biāo)準(zhǔn)功率曲線所對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件是：溫度為15℃，1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1013.3hPa)，空氣密度為1.225kg/m3。標(biāo)準(zhǔn)功率曲線只是通過靜態(tài)的模擬計(jì)算獲得，而未考慮其他可能影響到風(fēng)電機(jī)組功率曲線的因素，如圖1 所示。

在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（ρ=1.225kg/m3）的條件下，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線稱為該風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。

圖1 1.5MW風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)功率曲線

靜態(tài)功率曲線忽略了風(fēng)的湍流特性，是理想情況下的機(jī)組出力性能。在對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行仿真時(shí)還需要考慮控制策略的作用,以反映機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),如變速變槳機(jī)組需要通過改變槳距角來控制輸出功率的大小，在快達(dá)到滿負(fù)荷與滿負(fù)荷之間有明顯的拐點(diǎn)，如圖1 所示。靜態(tài)功率曲線是在風(fēng)速恒定條件下得到的風(fēng)電機(jī)組可以產(chǎn)生的電功率,但實(shí)際風(fēng)速是不停地變化的。

動(dòng)態(tài)功率曲線是考慮風(fēng)的湍流特性而繪制的功率與風(fēng)速關(guān)系曲線,每種風(fēng)速下的功率是一定時(shí)間內(nèi)的功率平均值。動(dòng)態(tài)功率曲線在達(dá)到額定功率之前更平滑,無明顯拐點(diǎn)，如圖2 所示，顯然更符合機(jī)組平緩運(yùn)行的實(shí)際情況。因此，風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)功率曲線的滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速高于靜態(tài)功率曲線的滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速。

風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線的考核

一、評(píng)估風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率曲線的長期性和復(fù)雜性

受外部環(huán)境和控制策略的影響，風(fēng)電機(jī)組實(shí)際測試的功率曲線與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線存在著很大的偏差。

功率曲線是由機(jī)組發(fā)電功率與風(fēng)速一一對(duì)應(yīng)而形成的特性曲線。因風(fēng)電機(jī)組葉輪質(zhì)量較大，監(jiān)控系統(tǒng)上顯示的瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)電功率不一致的情況會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，且風(fēng)況變化的隨機(jī)性很大。從實(shí)踐來講，風(fēng)速點(diǎn)的數(shù)據(jù)量過少，不具有評(píng)估價(jià)值。在短時(shí)間內(nèi)，機(jī)組不能形成較為完整、準(zhǔn)確的功率曲線。風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線的形成需要一個(gè)較長的時(shí)間過程，因此，評(píng)價(jià)功率曲線一定要使用長期數(shù)據(jù)。同時(shí)，現(xiàn)場的功率曲線調(diào)整后所需的驗(yàn)證時(shí)間較長。

圖2 1.5MW風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)功率曲線

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18709－2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法》和GB/T18710－2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估方法》制定的《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量和評(píng)估技術(shù)規(guī)定》(發(fā)改能源[2003]1403 號(hào))中要求：“現(xiàn)場測量收集數(shù)據(jù)應(yīng)至少連續(xù)進(jìn)行一年，并保證采集的有效數(shù)據(jù)完整率達(dá)到90%以上”。這就是說，在獲得風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線時(shí)，不僅要考察每臺(tái)機(jī)位的湍流強(qiáng)度等風(fēng)況條件和地形條件，功率曲線形成的時(shí)間長短、數(shù)據(jù)的完整性，還需考慮有效數(shù)據(jù)完整率。例如：風(fēng)電場限電后所生成的功率曲線數(shù)據(jù)，不能稱之為有效數(shù)據(jù)；受到干擾和影響的數(shù)據(jù)因不能反映風(fēng)電機(jī)組的真實(shí)性能，不能計(jì)入風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線的形成和統(tǒng)計(jì)之中。

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率曲線是通過散點(diǎn)分布圖繪制而成。從嚴(yán)格意義上講，功率曲線是測不準(zhǔn)的，因?yàn)闄C(jī)組的實(shí)測功率曲線很離散且范圍較寬。由圖3 可知，在滿負(fù)荷風(fēng)速以下的風(fēng)速段，不僅同一風(fēng)速機(jī)組功率的最大值和與最小值之間的偏差巨大，而且功率平均值也處在一個(gè)很寬的范圍。由于功率曲線散點(diǎn)分布的離散性，同一風(fēng)電機(jī)組在不同時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行功率曲線一定是不同的。在其他條件完全相同的情況下，因主控的不同（包括主控參數(shù)，主控硬件，軟件等）會(huì)造成功率曲線的不同。

由于風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線受到風(fēng)電場的風(fēng)況和形成條件的影響，風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)況和條件下形成的功率曲線是不同的。一臺(tái)性能優(yōu)異的風(fēng)電機(jī)組，在風(fēng)況較差的條件下，形成的功率曲線完全可能達(dá)不到其理論值，發(fā)電量低于其他同類型風(fēng)電機(jī)組。

所以，我們?cè)谕ㄟ^實(shí)際運(yùn)行功率曲線考察風(fēng)電機(jī)組性能時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮影響功率曲線的多種因素，并對(duì)環(huán)境、障礙物等影響因素給以嚴(yán)格的限制條件。根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)，負(fù)載的大小以及風(fēng)電機(jī)組安裝現(xiàn)場的風(fēng)速、風(fēng)向、地形等情況的不同，風(fēng)電機(jī)組的功率曲線是一組而不是一條。也就是說，同一風(fēng)電機(jī)組會(huì)因條件（如：時(shí)間、季節(jié)、位置、限負(fù)荷等）的改變形成一系列不同的功率曲線。

圖3 風(fēng)電機(jī)組功率特性測試的散點(diǎn)分布圖

二、采用61400-12標(biāo)準(zhǔn)考核風(fēng)電機(jī)組功率曲線所存在的問題

隨著中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，裝機(jī)總量突飛猛進(jìn)，越來越多的業(yè)主開始對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性進(jìn)行測試。風(fēng)電機(jī)組功率特性測試一般按照IEC61400－12－1 進(jìn)行。

風(fēng)電機(jī)組的功率特性主要體現(xiàn)在機(jī)組的功率曲線、年發(fā)電量及功率系數(shù)。影響風(fēng)電機(jī)組功率特性的主要外界因素有地形、空氣密度、大氣壓強(qiáng)及風(fēng)況等。進(jìn)行功率特性測試應(yīng)收集足夠數(shù)量且覆蓋一定風(fēng)速范圍和大氣條件變化的數(shù)據(jù)，以精確地確定風(fēng)電機(jī)組的功率輸出特性。

（一）采用IEC61400－12 評(píng)估實(shí)際運(yùn)行功率曲線的難點(diǎn)

IEC61400－12標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了功率曲線的測量評(píng)估方法。有如下要求：

（1）風(fēng)速、電功率傳感器應(yīng)具有一定的采樣頻率和測量精度。

（2）要求對(duì)機(jī)位的地形條件進(jìn)行評(píng)估，排除地形、障礙物對(duì)風(fēng)電機(jī)組出力的影響。

（3）要求搭建標(biāo)準(zhǔn)的測風(fēng)塔來測量風(fēng)電機(jī)組的來流風(fēng)速，并對(duì)測風(fēng)塔測量的扇區(qū)進(jìn)行規(guī)定，即保證測風(fēng)塔測出的是被測機(jī)組的來流風(fēng)速，而不是尾流。

（4）要求在計(jì)算平均風(fēng)速時(shí)，考慮空氣密度對(duì)風(fēng)能的影響，要求進(jìn)行風(fēng)速修正，即修正到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度。

（5）評(píng)估方法是按照10mins 的統(tǒng)計(jì)平均值來進(jìn)行，即計(jì)算風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的每個(gè)10mins 時(shí)間段內(nèi)的平均風(fēng)速、平均功率，再按照所有的10mins 平均風(fēng)速大小來排列分類，按照0.5m/s 區(qū)分1 個(gè)區(qū)間。最后在每個(gè)區(qū)間內(nèi)再計(jì)算平均風(fēng)速、平均功率，以此作為功率曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

（6）要求在每個(gè)0.5m/s 內(nèi)測到的10mins 平均風(fēng)速、功率數(shù)據(jù)，應(yīng)超過規(guī)定的數(shù)據(jù)量。

（7）要求對(duì)測量的不確定度進(jìn)行評(píng)估。

由以上的規(guī)定條件和測定要求可知，功率曲線現(xiàn)場測試是相當(dāng)復(fù)雜的。雖然，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)功率曲線的繪制方法是根據(jù)相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，但風(fēng)速、電功率采用的是機(jī)組自身的傳感器，其測量精度難以達(dá)到IEC61400－12中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；沒有排除地形、障礙物對(duì)功率曲線測量的影響；也沒有對(duì)空氣密度進(jìn)行準(zhǔn)確地修正。因此，風(fēng)電場機(jī)組所形成的功率曲線難以準(zhǔn)確反映風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際性能。

（二）采用IEC61400－12－1 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估實(shí)際運(yùn)行功率曲線實(shí)際操作存在的問題

依據(jù)IEC61400－12－1 進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率特性測試，可以較為準(zhǔn)確地評(píng)估出機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)估算出年發(fā)電量，通過進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在的問題。但通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率曲線實(shí)際測試過程的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)問題：

（1）依據(jù)IEC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功率特性測試雖然準(zhǔn)確地評(píng)估出單臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，但耗費(fèi)了大量的人力物力及時(shí)間，如何準(zhǔn)確、快速、低成本地測試風(fēng)電場所有機(jī)組的性能是一個(gè)亟待解決的問題。

（2）IEC 標(biāo)準(zhǔn)采用10mins 內(nèi)的平均風(fēng)速，但是在額定風(fēng)速處曲線較為平滑，相對(duì)準(zhǔn)確地確定額定風(fēng)速存在一定難度。

（3）IEC 標(biāo)準(zhǔn)在估算年發(fā)電量時(shí)采用的是瑞利分布，若采用風(fēng)電場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行威布爾曲線擬合，此時(shí)估算的年發(fā)電量或?yàn)楦訙?zhǔn)確。

（4）國內(nèi)風(fēng)電場的地形普遍比較復(fù)雜，對(duì)于已投產(chǎn)后的風(fēng)電機(jī)組如何進(jìn)行場地標(biāo)定是需要研究解決的問題。

（三）采用IEC61400－12－2 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率曲線所存在的問題

在接近滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)，湍流強(qiáng)度對(duì)機(jī)組功率曲線影響較大，如圖4 所示。因此，IEC61400－12－2 標(biāo)準(zhǔn)特別闡述了湍流強(qiáng)度對(duì)功率曲線的影響。湍流導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速段的實(shí)際功率曲線優(yōu)于靜態(tài)功率曲線；在高風(fēng)速段，特別是額定風(fēng)速段，實(shí)際的湍流功率曲線比靜態(tài)功率曲線差。機(jī)組實(shí)際功率曲線的滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速遠(yuǎn)高于靜態(tài)功率曲線上的滿負(fù)荷風(fēng)速，如圖1 和圖2 所示。

風(fēng)電場的瞬時(shí)風(fēng)速與瞬時(shí)風(fēng)能是不斷變化的，而風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。因此，當(dāng)采用一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速和平均風(fēng)能相對(duì)應(yīng)時(shí)，其結(jié)果為：相對(duì)應(yīng)的風(fēng)速、風(fēng)能與風(fēng)電場實(shí)際情況是不一致的，后者高于前者。由此，在低風(fēng)速段，動(dòng)態(tài)功率曲線優(yōu)于靜態(tài)功率曲線。

但是，在高風(fēng)速段，由于風(fēng)電機(jī)組有額定功率的限制，控制系統(tǒng)使機(jī)組一直保持在額度功率附近不超過允許值，最終導(dǎo)致高風(fēng)速時(shí)的能量被損耗掉了。因此，在高風(fēng)速段，由于湍流的影響，動(dòng)態(tài)風(fēng)速下超過額定電功率的部分被削峰了，而低于額定電功率的部分又缺乏有效手段填平。因此，實(shí)際動(dòng)態(tài)功率曲線在接近滿負(fù)荷風(fēng)速段低于靜態(tài)功率曲線，如要求其完全滿足靜態(tài)功率曲線是不科學(xué)的。

圖4 湍流對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率曲線的影響

IEC61400－12－2 標(biāo)準(zhǔn)推薦了一種技術(shù)方案：通過動(dòng)態(tài)湍流功率曲線來推導(dǎo)靜態(tài)功率曲線。但該方案有一些假設(shè)，如：假設(shè)無論風(fēng)速如何快速變化，風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)都能夠快速變化并以最佳狀態(tài)運(yùn)行。然而，葉輪及機(jī)艙的質(zhì)量很大，因其慣性的作用，在實(shí)際上是不可能達(dá)到的；另一個(gè)假定，時(shí)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)風(fēng)速轉(zhuǎn)化到頻域內(nèi)是符合正態(tài)分布的，其正態(tài)分布函數(shù)就是平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度。由此可見，該標(biāo)準(zhǔn)僅提供了評(píng)估風(fēng)電場眾多機(jī)組功率特性的一種思路和方法，對(duì)風(fēng)電場機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線的技術(shù)評(píng)估具有一定的參考價(jià)值，但實(shí)用性不大。

因此，某些整機(jī)生產(chǎn)廠家在投標(biāo)書中不提供機(jī)組的靜態(tài)功率曲線，而只提供機(jī)組在不同湍流強(qiáng)度下的動(dòng)態(tài)功率曲線，這樣，考核功率曲線更接近于機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線，從而有利于功率曲線的考核。

功率曲線考核帶來的隱憂

由于風(fēng)電場實(shí)測機(jī)組功率曲線的復(fù)雜性、某些功率曲線考核的合同條款嚴(yán)重脫離風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行實(shí)況以及業(yè)內(nèi)人士對(duì)功率曲線認(rèn)知上的偏差，風(fēng)電機(jī)組形成的實(shí)際運(yùn)行功率曲線失去了應(yīng)有的價(jià)值和作用。

即使性能完全相同的風(fēng)電機(jī)組，在不同環(huán)境條件下，風(fēng)電場實(shí)測功率曲線的偏差值，超過10%也是很正常的。實(shí)際運(yùn)行功率曲線因湍流、尾流、地面粗糙度等多種因素的影響，在達(dá)到滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速之前，同種風(fēng)速的發(fā)電功率會(huì)有偏差，與合同要求不符，而這本應(yīng)屬于正常現(xiàn)象。

如果對(duì)同一風(fēng)電場同種機(jī)型的一批機(jī)組長期運(yùn)行的有效數(shù)據(jù)（主控的功率曲線相關(guān)參數(shù)設(shè)置正確，數(shù)據(jù)采樣、篩選合理，軟件形成符合規(guī)范等），且形成正常的一系列功率曲線進(jìn)行綜合分析和考察，將對(duì)考察這些機(jī)組實(shí)際效率有一定的參考價(jià)值。還可以通過同一機(jī)組在不同時(shí)期形成功率曲線之間的差異，判斷機(jī)組故障，或風(fēng)況變化。

但是，業(yè)內(nèi)人士對(duì)功率曲線存在認(rèn)知上的偏差，無論在何種地理位置和風(fēng)況條件下均要求風(fēng)電場機(jī)組所形成功率曲線上每一風(fēng)速點(diǎn)的發(fā)電功率都不應(yīng)低于合同保證值的95%。更有甚者，要求機(jī)組在幾天或一個(gè)月內(nèi)所形成的功率曲線也要在合同保證值以上。例如：在機(jī)組過240 預(yù)驗(yàn)收時(shí)，要求每臺(tái)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線均要達(dá)到合同保證值，這顯然違背了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的基本規(guī)律。這樣的要求，不僅使功率曲線的數(shù)據(jù)量極其龐大，而且，不造假是難以達(dá)到上述要求的。

為了讓每臺(tái)機(jī)組在短時(shí)間內(nèi)均能形成相當(dāng)“漂亮”的功率曲線，整機(jī)商只得采取適當(dāng)?shù)氖侄问箼C(jī)組在短時(shí)間內(nèi)形成的功率曲線“相當(dāng)好”，且每臺(tái)機(jī)組、在每個(gè)風(fēng)速段上機(jī)組的發(fā)電功率都達(dá)到，或超過合同要求，否則，整機(jī)廠商就要賠發(fā)電量、被扣款。殊不知，這樣形成的功率曲線是不可能反映該機(jī)位的氣象條件、地理?xiàng)l件和實(shí)際機(jī)組運(yùn)行狀況的，從而導(dǎo)致生成的功率曲線失去了其應(yīng)有價(jià)值和實(shí)際意義。

因準(zhǔn)確考核機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線極其困難且復(fù)雜，且實(shí)測數(shù)據(jù)可能嚴(yán)重偏離其理論計(jì)算值。因業(yè)主對(duì)功率曲線的苛求，有的生產(chǎn)廠家為了使機(jī)組在投標(biāo)中取勝，不僅機(jī)組實(shí)際生成的功率曲線折算出來的功率系數(shù)遠(yuǎn)高于理論最高值0.593，而且，給出的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，在不少風(fēng)速點(diǎn)的功率系數(shù)超過0.6，有的風(fēng)速段折算的功率系數(shù)已經(jīng)達(dá)到了0.8。

在簽訂風(fēng)電機(jī)組合同時(shí)，一般功率曲線作為一項(xiàng)重要的保證條款，可向整機(jī)廠商索賠，且索賠金額較大，相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制訂又相對(duì)滯后。如論證的結(jié)果是功率曲線不合格業(yè)主則可能得到一筆金額較大的索賠，或者因功率曲線爭議而延遲出保。因此，在中國各種各樣的功率曲線論證公司也應(yīng)運(yùn)而生，因功率曲線測試的復(fù)雜性，其準(zhǔn)確和公正程度值得懷疑。

結(jié)語

同一生產(chǎn)廠家，同種型號(hào)機(jī)組的生產(chǎn)一致性是容易考察和做到的，而實(shí)際運(yùn)行功率曲線則是反映機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，因外界條件的不同，存在差異，甚至差異很大，且難以準(zhǔn)確測定。如何簡便、有效地驗(yàn)證和考察機(jī)組的功率特性值得探討。建議國家、行業(yè)出臺(tái)相應(yīng)的政策、法規(guī)以規(guī)范市場。