風能資源在機組性能后評估中的應用方法

文 | 薛浩寧

后評估背景

在復雜地形下，每臺風電機組處的風能資源均是不同的，而機組的性能表現(xiàn)與所處的風能資源情況息息相關，在后評估過程中應結(jié)合具體的風能資源情況評估機組的實際性能。機位處的空氣密度、風切變、湍流強度影響功率曲線的表現(xiàn)；機組的控制性能理論上要追蹤機位處風能資源的最優(yōu)控制性能。

2016年，我國風電裝機規(guī)模為16873萬千瓦，上網(wǎng)電量為2410億千瓦時；同年美國風電裝機規(guī)模為8218萬千瓦，上網(wǎng)電量為2240億千瓦時。在同樣的資產(chǎn)效率下，2016年我國風電的上網(wǎng)電量應達到4599億千瓦時，實際則較美國低2189億千瓦時；排除棄風限電的影響（2016年棄風限電率為17.1%），仍低1692億千瓦時。這從側(cè)面反映了我國風電的資產(chǎn)效率低下，主要與前期設計和實際不一致，存在低效資產(chǎn)、故障頻發(fā)、功率曲線不達標、運維效率低下等問題相關。而要找到以上問題的原因，需要運用前期設計資料、后期運行數(shù)據(jù)等。其中能夠反映機位點處風能資源水平的只能是機組的SCADA數(shù)據(jù)，它包含風速、風向、湍流強度、空氣密度，但是機組的風能資源數(shù)據(jù)并不是真實的。本文將論述這些問題所在，并闡述依據(jù)這些風能資源數(shù)據(jù)如何對機組的性能進行后評估。

機艙風能資源數(shù)據(jù)處理方法

一、機艙風速的處理方法

由于每臺機組上的風速儀受到葉輪的擾動，風速數(shù)據(jù)采集存在偏差，再加上經(jīng)過長時間運行后每臺風速儀的精度不一，造成機組間的風速并不具備可比性。為保證風速數(shù)據(jù)具備相同的標準，有必要引入風能的概念。風能涵蓋了空氣密度、風切變、風轉(zhuǎn)向、風速儀精度。依據(jù)風能的概念修正的風速需要考慮葉片和傳動鏈的差異。但是在相同條件下，葉片和傳動鏈的差異通過被認為是相同的，可以忽略不計。

通過繪制某風電場功率曲線，并修正風速，機組間的整體標準差變小，說明功率曲線集中度增加，也可以表明此種方法可以消除一定的風速不確定性。

二、機艙風向的處理方法

機組的風向標N點與機艙固定，而機艙要隨風偏航，所以，風向標N點不固定且數(shù)值在N線附近波動。以上問題造成機艙風向標采集的風向并不是真實的。對于風向數(shù)值的處理，需要將機艙位置角度加上風向標與N點夾角。

某風電場的某臺機組風向經(jīng)過修正后與鄰近測風塔風向分布一致，說明此種方法能夠還原真實風向。

三、輪轂高度處空氣密度的處理方法

由于在風電機組上不能采集實時空氣密度，因此，可以根據(jù)公式（1），利用海拔高度和溫度數(shù)據(jù)計算空氣密度：

圖1 修正風速與未修正風速功率曲線標準差對比

圖2 測風塔風向分布（左）與機艙風向分布（右）

式中：

H—輪轂中心的海拔高度；

T10min—10min 平均環(huán)境溫度；

ρ10min—10min 平均空氣密度。

在上述折算計算中，保證機組采集的環(huán)境溫度，沒有受機組的影響。

依據(jù)風能資源修正標準化功率曲線

一、空氣密度對機組性能的影響及修正方法

在實際測量中，由于空氣密度對功率曲線有一定的影響，因此，對于空氣密度與標準空氣密度存在差異的測試環(huán)境，需要對功率數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)回歸折算，而對于處于相同環(huán)境的風電機組可不進行數(shù)據(jù)折算。

對于變槳距風電機組，根據(jù)公式（2）對10min 平均風速進行折算：

式中：

N10min—測試周期內(nèi)的10min 平均數(shù)據(jù)的個數(shù)；

ρ0—標準空氣密度（1.225kg/m3）；

ρ10min,i—第i 個10min 平均空氣密度；

V10min,i—第i 個10min 平均風速；

Vm,i—第i 個折算后的10min 平均風速。

二、風切變對機組性能的影響及修正方法

如果風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子面積上的風速是恒定的，輪轂高度上的風速將代表風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子面積上的風速，并且使用輪轂高度風速也是合理的。然而，風電機組輪轂高度上的風速對于大型風電機組來說可能不具有代表性。因此，有必要引入修正，以考慮風切變引起的風速在風輪掃風面上的變化。推薦使用機艙遙感設備測試實際的風切變數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)子等效風速是當考慮垂直風切變時對應于轉(zhuǎn)子掃掠區(qū)域的動能的風速。轉(zhuǎn)子等效風速定義為：

式中：

nh—可用測量高度的數(shù)目；

vi—在高度i的風速(實測或依據(jù)風切變推算)；

A —由轉(zhuǎn)子掃過的完整區(qū)域（即半徑r為πr2）；

Ai—第i段的區(qū)域，即風速Vi代表的段，由方程（2）導出。

通過計算115/2000型機組在不同塔架高度和不同風切變下等效風速與輪轂中心處的風速比值，結(jié)果見表1。

表1 115/2000型風電機組的等效風速系數(shù)

三、湍流強度對機組性能的影響及修正方法

靜態(tài)曲線基本上由所采用的葉片最優(yōu)Cp、λ決定的，是湍流為零的情況下的曲線；動態(tài)功率曲線是考慮湍流強度影響的曲線。

低風速段：由于相同風速下，湍流大，風能大，所以理論上動態(tài)功率曲線要較靜態(tài)略好；高風速段：由于額定功率的限制及變槳控制的介入，理論上動態(tài)功率曲線要較靜態(tài)明顯差。

圖3 不同湍流下的功率曲線對比

圖4 湍流較大與湍流較小情況下的功率曲線對比

采用概率統(tǒng)計的方法修正的功率曲線效果如圖3（只考慮湍流的影響，未考慮控制器及慣性等因素的影響）。

風電機組實際運行過程中湍流較大和湍流較小的情況功率曲線對比如圖4所示。實際運行情況顯示，在大湍流情況下，低風速段功率曲線表現(xiàn)要優(yōu)于高風速段，與仿真結(jié)果情況一致。

將實際運行的功率曲線修正至參考湍流強度的方法簡述為：

（1）依據(jù)實際功率曲線的最大Cp確定實際的靜態(tài)功率曲線；

（2）依據(jù)測量的湍流仿真時間序列的數(shù)據(jù)得到P(1)；

（3）依據(jù)參考的湍流仿真時間序列的數(shù)據(jù)得到P(2)；

（4）測量的功率為P；

（5）參考湍流的修正功率P(3)=PP(1)+P(2)；

（6）對P(3)和風速進行10min平均，并用BIN法繪制功率曲線得到最終情況的參考湍流功率曲線。

依據(jù)風能資源評估機組實際性能

一、機艙對風偏差分析

在運行過程中，風電機組需要調(diào)整機艙角度即進行偏航，使機組正確對風，使葉輪垂直于來流風向以獲得更高的風能轉(zhuǎn)化效率，從而得到最優(yōu)的發(fā)電功率。機艙與來流風向的角度，即偏航誤差對風能吸收的影響為cos3θ的關系。若偏差在10°時，將帶來將近5%的功率損失。

風電機組進行偏航的判斷依據(jù)為風向標與機艙夾角的大小，即偏航角。夾角的正負決定偏航的方向，夾角的大小及夾角對應的風速決定偏航動作的及時性。偏航角由風標與風向標N點或S點的相對位置計算所得。風向標N點為風向標180°的位置，S點為風向標0°的位置，風向標安裝在機艙外的氣象架上，且N-S點需與機艙艙中線平行并固定。機組主控系統(tǒng)判斷的依據(jù)是，在對準風的情況下，風標位置處于風向標的N-S線上；未對準風時，則偏離N-S線。在風電機組運行過程中即使風標在風向標的N-S線上，偏航誤差也會存在，主要的原因如下：

（1）在沒有精確校準設備或氣象架、沒有參照點的情況下，風向標本身及安裝會存在一定誤差；

（2）風向標安裝的氣象架的安裝位置及水平程度，將給風向標N-S線帶來偏差；

（3）風力發(fā)電機葉輪的轉(zhuǎn)動會對來流風向擾動，造成風向標采集數(shù)據(jù)不準，也會帶來誤差。

偏航誤差指以上三點所產(chǎn)生誤差的總體表現(xiàn)。在此種條件下，即便使用精確度高的測風設備，由于其他兩點的影響，風向標采集的數(shù)據(jù)也存在失真。

偏航誤差的分析主要是考慮在相同風速下，不同偏航角對應的功率是存在一定規(guī)律的，見圖5。對于有技術(shù)條件修正控制系統(tǒng)參數(shù)的情況，可以將偏航角減去不同代表風速下偏航誤差，以達到修正風向標N-S位置的目的。對于沒有技術(shù)條件修改控制系統(tǒng)參數(shù)的情況，可以依據(jù)風速段內(nèi)偏航誤差的平均值，調(diào)整風向標的N-S位置，以達到近似的目的。

二、轉(zhuǎn)矩控制分析

在目前的主流控制策略下，機組要在更寬的范圍內(nèi)追蹤最優(yōu)的葉尖速比，以達到追蹤最優(yōu)的Cp的目的。由于風速受到更多的擾動，一般主控系統(tǒng)控制系統(tǒng)輸入為發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號，依據(jù)轉(zhuǎn)速信號控制變頻器輸出的功率。

轉(zhuǎn)矩計算的公式為：

圖5 偏航角與功率對應關系

K值與風電場的空氣密度相關，所以，轉(zhuǎn)矩控制分析主要考量在最優(yōu)Cp段是否追蹤了當?shù)乜諝饷芏认碌娘L能利用系數(shù)。

三、啟動控制分析

除人為啟動外，機組自動啟動的條件分為依據(jù)風速或轉(zhuǎn)速。依據(jù)風速和轉(zhuǎn)速啟動均需要風能達到一定的程度，與空氣密度直接相關。后評估中需要評估風速或轉(zhuǎn)速是否依據(jù)當?shù)乜諝饷芏冗M行相關的修正。

總結(jié)

機組性能表現(xiàn)與風能資源情況息息相關。本文結(jié)合實際的風能資源闡述了空氣密度、風切變、湍流強度對機組性能的影響，提出如何依據(jù)這三種參數(shù)進行功率曲線標準化，如何將機艙風速儀、風向標修正至相同的參考系，使其具備可比性的方法。