功率曲線特性測試儀有效風(fēng)速補(bǔ)償算法的研究

文 | 葉林，馮標(biāo)，鐘德華，趙重陽，蔡曉峰

功率曲線特性測試儀有效風(fēng)速補(bǔ)償算法的研究

文 | 葉林，馮標(biāo)，鐘德華，趙重陽，蔡曉峰

隨著我國風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，以及大型風(fēng)電機(jī)組制造本地化的不斷深入，在機(jī)組研制和運(yùn)行過程中，對機(jī)組功率曲線特性進(jìn)行評估顯得尤為重要。通過評估機(jī)組實(shí)際功率曲線可以反映出機(jī)組多方面特性的優(yōu)劣，對機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造過程中的質(zhì)量控制以及后期運(yùn)行過程中的技改提升有著指導(dǎo)作用。但是，生成準(zhǔn)確的功率曲線需要機(jī)組的有效風(fēng)速和有功功率，由于測量風(fēng)速的功率曲線測試儀安裝于機(jī)艙尾部，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的尾流效應(yīng)等影響，使得實(shí)測風(fēng)速與有效風(fēng)速之間存在一定的偏差。因此，需要研究一種利用實(shí)測風(fēng)速的補(bǔ)償算法，計(jì)算得到有效風(fēng)速。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)分析，能夠證明此有效風(fēng)速能夠生成較為準(zhǔn)確的功率曲線。目前，我國機(jī)組的功率、風(fēng)速等指標(biāo)的檢測主要通過機(jī)組主控系統(tǒng)的檢測設(shè)備和風(fēng)電場測風(fēng)塔，很多單位對功率曲線的檢測已取得了一些成果，但對實(shí)測風(fēng)速的補(bǔ)償算法和功率曲線測試儀產(chǎn)品的研究尚處于起步階段。

本文提出了一種基于大量功率曲線測試儀和激光雷達(dá)測風(fēng)儀所采集風(fēng)速數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，研究該功率曲線測試儀有效風(fēng)速的補(bǔ)償算法，最終生成風(fēng)電機(jī)組有功功率與有效風(fēng)速的功率曲線，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確評估風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能利用率和實(shí)際發(fā)電效率的目的。

風(fēng)速及有效功率的數(shù)據(jù)采集與測量

一、數(shù)據(jù)測量對象

數(shù)據(jù)測試對象為3臺雙饋型1.5MW機(jī)組，分別為機(jī)組#1、機(jī)組#2和機(jī)組#3，均為山地高原型機(jī)組。每臺機(jī)組的機(jī)艙尾部裝有2個(gè)機(jī)械式風(fēng)杯、一套功率曲線測試儀，機(jī)組#1與機(jī)組#2的側(cè)面平行位置裝有一臺激光雷達(dá)測風(fēng)儀。

二、數(shù)據(jù)采集工具

（一）功率曲線特性測試儀。它能獨(dú)立地測量風(fēng)電機(jī)組的有功功率與風(fēng)速等數(shù)據(jù)，精度：CT 0.2級，電能檢測模塊精度：0.5級，超聲波風(fēng)速儀偏差：±3%，功率曲線特性測試儀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（二）激光雷達(dá)測風(fēng)儀。Zephir公司的ZP3000測風(fēng)儀，可采集機(jī)組附近各度梯度的自由風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、湍流強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，風(fēng)速測量精度：0.5%。

（三）風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)。機(jī)組主控系統(tǒng)采集機(jī)組的有功功率和風(fēng)速等數(shù)據(jù)。

三、數(shù)據(jù)測量方法

（一）數(shù)據(jù)收集。同步采集數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，匯總功率曲線測試儀和風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)采集的有功功率和風(fēng)速，以及激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集的風(fēng)速，采樣時(shí)間上具有分段連續(xù)性。測風(fēng)儀安裝位置如圖2，滿足IEC61400和GL標(biāo)準(zhǔn)。

（二）數(shù)據(jù)平均值。由于風(fēng)速具有較大的隨機(jī)性，考慮風(fēng)速儀的風(fēng)速響應(yīng)速度等因素，對采集數(shù)據(jù)作了濾波處理，計(jì)算10min平均值。

（三）風(fēng)速切變?？紤]了不同高度梯度下風(fēng)速變化的影響，選擇與功率曲線測試儀處于同一高度層的測風(fēng)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。

（四）湍流強(qiáng)度。數(shù)據(jù)分析中已充分考慮湍流強(qiáng)度等因素的影響。

（五）數(shù)據(jù)處理。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組、測試設(shè)備的運(yùn)行狀況對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除無效數(shù)據(jù)。

風(fēng)速及有效功率的數(shù)據(jù)分析

一、數(shù)據(jù)分析工具

數(shù)據(jù)分析工具采用Matlab擬合工具箱cftool。

二、功率測試儀與風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，旨在說明功率曲線測試儀和風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的相關(guān)性較強(qiáng)（相關(guān)性指兩個(gè)變量之間的密切程度），確保采集數(shù)據(jù)切實(shí)可用。

（一）風(fēng)速的相關(guān)性分析

通過分析工具，生成功率曲線測試儀與主控系統(tǒng)所采集風(fēng)速的散點(diǎn)圖。X1為功率曲線測試儀采集風(fēng)速，Y為風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)采集風(fēng)速。圖3為風(fēng)電機(jī)組#1的風(fēng)速散點(diǎn)圖，大量散點(diǎn)分布在對角線區(qū)域。

cftool工具線性擬合方法可以得到相關(guān)性參數(shù)；風(fēng)電機(jī)組#1主控系統(tǒng)采集風(fēng)速與功率曲線特性測試儀采集風(fēng)速之間關(guān)系為Y＝1.022 X1，它的風(fēng)速線性關(guān)系圖如圖4所示。

對采集風(fēng)速做相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)為ρX1Y＝0.964，根據(jù)相關(guān)系數(shù)范圍：0.8<ρX1Y≤1，具有極強(qiáng)相關(guān)性。

（二）有功功率數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

對功率曲線測試儀和風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)采集的有功功率進(jìn)行比對分析，P1為功率曲線測試儀采集的有功功率，P2為機(jī)組主控系統(tǒng)采集的有功功率。

機(jī)組#1的有功功率散點(diǎn)圖如下圖5所示，散點(diǎn)集中在對角線區(qū)域。通過線性關(guān)系擬合，兩者之間的關(guān)系為P2＝1.062 P1，有功功率線性關(guān)系圖如圖6所示。

對采集數(shù)據(jù)點(diǎn)做相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)為ρP1P2＝0.957，根據(jù)相關(guān)系數(shù)范圍：0.8<ρP1P2≤1，具有極強(qiáng)相關(guān)性。

三、功率測試儀與激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集風(fēng)速相關(guān)性分析

圖7為機(jī)組#1的功率曲線測試儀與激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集風(fēng)速進(jìn)行對比分析，顯示激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集風(fēng)速比功率曲線測試儀采集風(fēng)速值大，擬合線性函數(shù)：Z＝1.197X1，X1為功率曲線測試儀采集風(fēng)速，Z為激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集風(fēng)速。對兩組數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為ρX1Z＝0.684。

從兩組數(shù)據(jù)做的相關(guān)性分析和圖7的數(shù)據(jù)顯示可以看出，功率測試儀與激光雷達(dá)測風(fēng)儀兩個(gè)設(shè)備所采集到的風(fēng)速并沒有極強(qiáng)的相關(guān)性。

根據(jù)IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)對風(fēng)速測量的具體要求，考慮到IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)是對相對嚴(yán)格的型式試驗(yàn)而作的規(guī)定，因此，為提高功率曲線測試儀的便利性，本文采用對機(jī)組尾部實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，來達(dá)到接近IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)的方法。

有效風(fēng)速補(bǔ)償算法

激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集風(fēng)電場的自由風(fēng)速，功率曲線測試儀采集機(jī)組尾流風(fēng)速，通過風(fēng)速補(bǔ)償算法得到風(fēng)電場自由風(fēng)速與功率曲線測試儀采集風(fēng)速之間的擬合關(guān)系，以達(dá)到補(bǔ)償功率曲線測試儀采集風(fēng)速、計(jì)算有效風(fēng)速的目的。

風(fēng)速補(bǔ)償算法以功率曲線測試儀采集風(fēng)速為輸入，激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集風(fēng)速為輸出。擬合時(shí)使用樣本點(diǎn)分布在機(jī)組運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速范圍，數(shù)據(jù)來源于被檢測機(jī)組#1和機(jī)組#2。

根據(jù)散點(diǎn)分布情況做分段擬合，得到如下函數(shù)模型，X2為補(bǔ)償后的功率曲線特性測試儀風(fēng)速：

根據(jù)風(fēng)速補(bǔ)償算法的擬合函數(shù)計(jì)算得到機(jī)組#2某時(shí)間段補(bǔ)償后的有效風(fēng)速，補(bǔ)償后的有效風(fēng)速與激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集風(fēng)速曲線如圖9所示。圖9中顯示為補(bǔ)償后的有效風(fēng)速與激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集風(fēng)速較為接近，擬合線性函數(shù)：Z＝1.0565 X2，計(jì)算相關(guān)系數(shù)為ρX2Z＝0.836，相關(guān)性有所提高。

由圖7和圖9兩圖對照可以看出，有效風(fēng)速補(bǔ)償算法提高了功率測試儀與激光雷達(dá)測風(fēng)儀兩個(gè)設(shè)備所采集風(fēng)速的相關(guān)性，增強(qiáng)了實(shí)測風(fēng)速的精確度，最終實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確評估風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能利用率和實(shí)際發(fā)電效率的目的。

有效風(fēng)速功率曲線

根據(jù)功率曲線測試儀的風(fēng)速補(bǔ)償算法，通過擬合函數(shù)得到補(bǔ)償后的有效風(fēng)速，生成基于有效風(fēng)速的功率曲線，此功率曲線即為功率曲線特性測試儀所生成的功率曲線。

圖10和圖11分別為云南某風(fēng)電場兩臺1.5MW機(jī)組（下文分別稱機(jī)組#1和風(fēng)電機(jī)組#2）的功率曲線特性測試儀所測功率曲線、風(fēng)電機(jī)組主控功率曲線（備注：風(fēng)電機(jī)組主控功率曲線為整機(jī)廠商SCADA軟件所生成的功率曲線。）和機(jī)型保證功率曲線。

下文分別以風(fēng)電機(jī)組主控功率曲線低于保證功率曲線

和主控功率曲線高于保證功率曲線的兩種情況為例，說明使用功率曲線特性測試儀可以準(zhǔn)確地檢測此兩臺風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際功率曲線特性。

圖10為機(jī)組#1的主控功率曲線低于保證功率曲線，主控功率曲線對比保證功率曲線，發(fā)現(xiàn)主控功率曲線在風(fēng)速＜10m/s時(shí)，接近合同的保證功率曲線，在風(fēng)速＞10m/s時(shí)，主控功率曲線明顯低于保證功率曲線（大概50kW）。功率曲線特性測試儀所測功率曲線明顯低于保證功率曲線和主控功率曲線，爬坡段的功率曲線偏差較多，說明經(jīng)功率曲線特性測試儀檢測后證明，機(jī)組#1的主控功率曲線不合格。分析原因后發(fā)現(xiàn)該機(jī)組采用轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩查表法控制，改進(jìn)主控程序控制算法后機(jī)組功率曲線在爬坡段有了大幅提升，同時(shí)對該機(jī)組風(fēng)速儀進(jìn)行了維護(hù)和程序升級。

圖11為風(fēng)電機(jī)組#2的主控功率曲線高于保證功率曲線，主控功率曲線對比保證功率曲線，發(fā)現(xiàn)主控功率曲線在整個(gè)風(fēng)速段內(nèi)，主控功率曲線都高于保證功率曲線，說明該風(fēng)電機(jī)組的功率曲線合格。當(dāng)風(fēng)速<10m/s時(shí)，功率曲線特性測試儀所測功率曲線高于保證功率曲線；當(dāng)風(fēng)速>10m/s時(shí)，功率曲線特性測試儀所測功率低于保證功率曲線，說明經(jīng)功率曲線特性測試儀檢測后證明，風(fēng)電機(jī)組#2的主控功率曲線不合格。分析原因后發(fā)現(xiàn)該機(jī)組主控功率測量值為發(fā)電機(jī)機(jī)端功率，而功率曲線特性測試儀測量的是機(jī)組送出功率（變流器網(wǎng)側(cè)功率），將該機(jī)組額定功率限值少量增加至1.55MW。

結(jié)論

功率曲線測試儀能夠獨(dú)立地檢測且直接反映風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用率和實(shí)際發(fā)電效率，對風(fēng)電機(jī)組研制和技術(shù)改進(jìn)有著十分重要的意義。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組功率曲線測試儀研究的要求，本文提出了一種有效風(fēng)速的補(bǔ)償算法。從仿真結(jié)果可以看出，有效風(fēng)速的補(bǔ)償算法可以較準(zhǔn)確地補(bǔ)償實(shí)測風(fēng)速的偏差，并生成更符合實(shí)際工況的功率曲線，對已投運(yùn)風(fēng)電機(jī)組功率曲線的測定和機(jī)組開展技改工作都有著十分重要的作用。

（作者單位：葉林，馮標(biāo)：華能洱源風(fēng)力發(fā)電有限公司；鐘德華：福氏新能源技術(shù)（上海）有限公司；趙重陽，蔡曉峰：沈陽華創(chuàng)風(fēng)能有限公司）