考慮冰凍氣候的山地風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量精細(xì)化研究

申新賀，陳廣宇，姜婷婷，朱金奎

（浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司 浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310012）

0 引言

風(fēng)電作為一種可再生的清潔能源，已經(jīng)成為火電、水電之后的第三大能源形式。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，總量達(dá)2.53 億kW[1]，風(fēng)電裝機(jī)容量處于全球領(lǐng)先，其中，南方山地風(fēng)電場(chǎng)占國(guó)內(nèi)總裝機(jī)容量的20%左右[2]。然而南方山地風(fēng)電場(chǎng)冬季的寒冷氣候很容易造成葉片和機(jī)艙測(cè)風(fēng)儀器的結(jié)冰，影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行[3]。

如何準(zhǔn)確地評(píng)估結(jié)冰條件下風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量損失是當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)精細(xì)化設(shè)計(jì)開發(fā)的難題之一[4]。在前期設(shè)計(jì)階段，一般由完整年內(nèi)測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)長(zhǎng)的占比來(lái)代替設(shè)計(jì)冰凍電量損失比例的取值，這種方法過(guò)于粗放。通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)投產(chǎn)后實(shí)際數(shù)據(jù)的實(shí)證分析研究，理論上可以較為精確地確定冰凍導(dǎo)致的發(fā)電量損失比例（以下稱冰凍折減系數(shù)），但是冰凍發(fā)生時(shí)，測(cè)風(fēng)塔和機(jī)艙風(fēng)速風(fēng)向儀往往會(huì)被凍住，數(shù)據(jù)可利用率低，增加了評(píng)估的難度。

近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)開展了較多冰凍研究。陳棋設(shè)計(jì)了一種抗冰凍機(jī)型[5]。安利強(qiáng)研究了葉片覆冰對(duì)機(jī)組疲勞載荷的影響[6]。陳欣利用中尺度WRF模式研究了機(jī)組冰凍的影響[7]。楊帆利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了冰凍折減系數(shù)[8]。舒立春和YirticiO直接研究了冰凍對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率和電量損失的影響[9]，[10]?？傮w來(lái)看，以上研究有些側(cè)重于機(jī)械和載荷層面，有些則對(duì)損失電量的分析不夠精細(xì)化，難以對(duì)設(shè)計(jì)評(píng)估工作提供有效指導(dǎo)。

本文以浙江某山地風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象，結(jié)合運(yùn)行期間測(cè)風(fēng)塔和SCADA數(shù)據(jù)，針對(duì)結(jié)冰條件下的風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量損失，從風(fēng)頻、防冰凍設(shè)計(jì)、控制策略等角度進(jìn)行了精細(xì)化分析，研究了前期設(shè)計(jì)冰凍電量損失與運(yùn)行階段的實(shí)際冰凍電量損失的差異，總結(jié)了一套冰凍條件下的風(fēng)電場(chǎng)損失電量計(jì)算和評(píng)估的精細(xì)化方法。

1 研究方法

本文研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線Fig.1 Technical route of research

首先統(tǒng)計(jì)測(cè)風(fēng)塔的冰凍時(shí)刻，并求其在一年內(nèi)的占比，用以表征設(shè)計(jì)冰凍電量損失；然后利用計(jì)算模型模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的冰凍時(shí)刻損失電量，并從風(fēng)頻、防冰凍設(shè)計(jì)、控制策略等角度對(duì)損失電量進(jìn)行了精細(xì)化分析；最后比較前期設(shè)計(jì)冰凍電量損失和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的冰凍損失電量的差異，給出針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)階段風(fēng)資源評(píng)估的指導(dǎo)方法。

1.1 測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)冰凍時(shí)段判斷規(guī)則

根據(jù)最高層測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)判斷測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)刻，并記錄時(shí)長(zhǎng)，測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)刻由以下規(guī)則確定。

規(guī)則一：數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間靜止，且氣溫接近或低于0℃，相應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)判定為冰凍。

規(guī)則二：上、下層風(fēng)速相差超過(guò)2m/s，且氣溫接近或低于0℃，較低的風(fēng)速量判定為冰凍。

判定依據(jù)有如下兩個(gè)方面。

第一，水在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的凝固點(diǎn)為0℃，如此時(shí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間靜止，則考慮該時(shí)刻為冰凍時(shí)刻。

第二，由于山地風(fēng)切變普遍較小，當(dāng)氣溫接近0℃，如上、下兩層風(fēng)速差反常，大于2m/s，則可考慮較低的風(fēng)速量為冰凍，記錄該時(shí)刻為冰凍時(shí)刻。

用下式計(jì)算測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)長(zhǎng)的占比，用以表征設(shè)計(jì)冰凍電量損失比例。

式中：ζm為設(shè)計(jì)冰凍電量損失比例；τ為測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)長(zhǎng)；T為完整一年的時(shí)間，取365 d。

1.2 冰凍損失電量計(jì)算

首先，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維記錄，統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組冰凍時(shí)刻。以第一臺(tái)機(jī)組進(jìn)入冰凍故障為啟始時(shí)刻，直到最后一臺(tái)機(jī)組故障解除，這期間的時(shí)段均記為機(jī)組冰凍時(shí)刻，以免遺漏發(fā)生冰凍但由于傳感器的敏感度閾值問(wèn)題而未報(bào)故障的冰凍事件。

理論電量仿真模型基于機(jī)艙功率數(shù)據(jù)和BIN法計(jì)算每臺(tái)機(jī)組冬季（11月-次年3月）平均功率擬合曲線，每個(gè)數(shù)據(jù)域?qū)挾葹?.5 m/s，第i個(gè)數(shù)據(jù)域內(nèi)的風(fēng)速（vi）和功率（Pi）由下式計(jì)算得到。式中：vi，j為第i個(gè)風(fēng)速數(shù)據(jù)域內(nèi)的第j個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；Pi，j為第i個(gè)功率數(shù)據(jù)域內(nèi)的第j個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；Ni為第i個(gè)數(shù)據(jù)域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。

所以機(jī)組功率可由對(duì)應(yīng)風(fēng)速v和所處數(shù)據(jù)域i唯一確定。

可根據(jù)下式將5min功率轉(zhuǎn)換為發(fā)電量。

根據(jù)IEC 61400-12-1標(biāo)準(zhǔn)去除功率數(shù)據(jù)的離群異常值，之后還需對(duì)機(jī)艙測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢測(cè)，依照GB/T18709-2002規(guī)則，剔除不合理數(shù)據(jù)[11]。根據(jù)2.2.1 統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組冰凍時(shí)刻，結(jié)合機(jī)艙測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，代入式（4），（5），即可確定冰凍時(shí)刻的理論電量。

實(shí)發(fā)電量統(tǒng)計(jì)模型輸入現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組冰凍時(shí)刻和對(duì)應(yīng)的實(shí)際功率，可以確定冰凍時(shí)刻的實(shí)發(fā)電量，則冰凍損失電量Eloss為

式中：Epot為機(jī)組冰凍時(shí)刻的應(yīng)發(fā)電量；Ereal為機(jī)組冰凍時(shí)刻的實(shí)發(fā)電量。

實(shí)際冰凍損失電量比例ζw為

式中：Etotal為全年發(fā)電量。

最后，比較分析ζm和ζw的差異。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 項(xiàng)目概況

該風(fēng)電場(chǎng)為一南方山地項(xiàng)目，共23臺(tái)機(jī)組，機(jī)組平均海拔為1 545m，額定功率為1 500 kW，場(chǎng)內(nèi)立有一座測(cè)風(fēng)塔（靠近8#機(jī)組），塔高為70 m，如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)衛(wèi)星圖Fig.2 Satellite image ofwind farm

風(fēng)電場(chǎng)具體概況見表1。

表1 項(xiàng)目概況Table 1 Projectoverview

2.2 數(shù)據(jù)與資料

本文所需的數(shù)據(jù)與資料為2018年8月1日-2019年7月31日。

①測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)和溫度數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為10min。

②風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速和功率數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為5min。

③現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的發(fā)電量月報(bào)表。

④現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的機(jī)組冰凍故障記錄。

此外，該項(xiàng)目的機(jī)艙風(fēng)速風(fēng)向儀帶有加熱功能（圖3），在冬季具有較高的可利用率。

圖3 抗冰凍測(cè)風(fēng)儀Fig.3 Anti-icing anemometer

3 結(jié)果分析

3.1 冰凍時(shí)刻統(tǒng)計(jì)

由于現(xiàn)場(chǎng)記錄的冰凍時(shí)刻是根據(jù)第一臺(tái)機(jī)組報(bào)冰凍故障到最后一臺(tái)機(jī)組故障解除來(lái)統(tǒng)計(jì)的，覆蓋整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，故現(xiàn)場(chǎng)記錄的機(jī)組冰凍和測(cè)風(fēng)塔冰凍的時(shí)段分布不完全一致。圖4為冰凍時(shí)段標(biāo)記圖。

圖4 冰凍時(shí)段標(biāo)記Fig.4 Freezing timemarkers

由圖4可以看出，根據(jù)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)判斷標(biāo)記的冰凍時(shí)刻基本指出了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際記錄的規(guī)模較大的冰凍故障。其中8#機(jī)組與測(cè)風(fēng)塔直線距離為110 m，高差10m，測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)段基本涵蓋8#機(jī)組的冰凍情況，至于2019年1月中旬以后的測(cè)風(fēng)塔冰凍情形，8#機(jī)組并未相應(yīng)出現(xiàn)冰凍，這是因?yàn)闄C(jī)組槳葉會(huì)旋轉(zhuǎn)，輕微冰凍可靠槳葉旋轉(zhuǎn)自動(dòng)緩解，冰凍條件要比測(cè)風(fēng)塔嚴(yán)苛。所以，利用上文判斷方法可以基本標(biāo)記出現(xiàn)場(chǎng)的冰凍情形。

表2為兩種統(tǒng)計(jì)方式的冰凍總時(shí)長(zhǎng)和占比，雖然現(xiàn)場(chǎng)是以“大風(fēng)小功率故障”作為判別冰凍的依據(jù)，較保守，但因?yàn)槭且缘谝慌_(tái)機(jī)組報(bào)冰凍故障到最后一臺(tái)機(jī)組故障解除來(lái)統(tǒng)計(jì)的，故總時(shí)長(zhǎng)和測(cè)風(fēng)塔相比差別較小。其中，將測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)長(zhǎng)占全年的比例看作前期設(shè)計(jì)冰凍電量損失比例，即3.89%。

表2 冰凍時(shí)長(zhǎng)Table 2 Freezing duration

3.2 風(fēng)速-功率散點(diǎn)

圖5為現(xiàn)場(chǎng)記錄每臺(tái)機(jī)組冰凍時(shí)刻的平均風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖，冰凍使得風(fēng)速功率散點(diǎn)非常不規(guī)則。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)記錄冰凍時(shí)刻風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖（bin法）Fig.5 Scatters ofwind speed and power at freezing time of on-site recordings（binmethod）

圖6為每臺(tái)機(jī)組冬季的平均風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖（剔除無(wú)效數(shù)據(jù)），機(jī)組運(yùn)行良好。對(duì)比圖5和圖6，可以明顯看出，冰凍對(duì)于機(jī)組的出力影響非常大，尤其是13#～19#機(jī)組，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速（10m/s）時(shí)，冰凍在等時(shí)間內(nèi)將造成更多的電量損失。

圖6 冬季全場(chǎng)平均風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖（bin法）Fig.6 Scatters of average wind speed and power in winter（binmethod）

3.3 損失電量精細(xì)化分析

發(fā)電量計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 發(fā)電量計(jì)算結(jié)果Table 3 Power generation

在3.1 節(jié)中計(jì)算得到的前期的設(shè)計(jì)冰凍電量損失比例為3.89 %，實(shí)際的冰凍電量損失比例為2.59 %，只有設(shè)計(jì)冰凍電量損失比例的67%，而測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)長(zhǎng)只比現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)冰凍時(shí)長(zhǎng)大3.6 %。這表明在前期評(píng)估時(shí)，如果只利用測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)間占比來(lái)估算冰凍電量損失，誤差會(huì)較大。

由于8#機(jī)組距離測(cè)風(fēng)塔最近，兩者的風(fēng)速相關(guān)性如圖7所示，相關(guān)系數(shù)為0.94。

圖7 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速-8#機(jī)組風(fēng)速散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter of the wind speed of themastand 8#wind turbine

由圖7可知，8#機(jī)組的風(fēng)況可以表征測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)況，測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)刻的風(fēng)況可以借由8#風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)況還原。表4為測(cè)風(fēng)塔各階段的平均風(fēng)速。由表4可以看出，測(cè)風(fēng)塔冰凍期間風(fēng)速相較冬季和全年風(fēng)速都偏小，說(shuō)明測(cè)風(fēng)塔冰凍情況容易在小風(fēng)時(shí)段發(fā)生。對(duì)于我國(guó)南方山地地區(qū)，特別是貴州、四川等地區(qū)的冬季平均風(fēng)速要明顯低于云南地區(qū)，故這些地區(qū)更需要對(duì)冰凍損失電量進(jìn)行精細(xì)化的評(píng)估[12]。

表4 測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速Table 4 Average wind speed of themast m/s

在3.2 節(jié)中論述的冰凍情況下的風(fēng)電機(jī)組控制策略采用的是“大風(fēng)小功率故障”結(jié)合人工判斷停機(jī)的方法，難免造成操作滯后或錯(cuò)誤判斷等問(wèn)題，建議通過(guò)加裝溫度傳感器等方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。此外，在風(fēng)電機(jī)組融冰時(shí)可以嘗試啟動(dòng)，并根據(jù)不同的風(fēng)速限制功率，此舉即考慮安全性又可以減少電量損失。

由圖4中的測(cè)風(fēng)塔和8#風(fēng)電機(jī)組的結(jié)冰周期分布可以看出，與測(cè)風(fēng)設(shè)備相比，葉片的冰凍周期更短，小于氣象意義上的冰凍周期。所以一旦風(fēng)速風(fēng)向儀結(jié)冰，即使槳葉未結(jié)冰，機(jī)組出于安全性等多方考慮也只好被迫停機(jī)，造成電量損失。就本項(xiàng)目而言，與進(jìn)行抗冰凍處理的測(cè)風(fēng)塔相比，機(jī)組抗冰凍的風(fēng)速風(fēng)向儀在冬季（11月-次年3月）可以提高9.4%的可利用率，避免了機(jī)組因風(fēng)速風(fēng)向儀結(jié)冰而停機(jī)。

根據(jù)上述分析，前期的設(shè)計(jì)冰凍電量損失偏高可能有如下原因。

（1）用冰凍時(shí)間比例來(lái)代替設(shè)計(jì)冰凍電量損失比例，就默認(rèn)了冰凍時(shí)刻的風(fēng)速和全年平均風(fēng)速處在同一水平，但事實(shí)上冰凍時(shí)刻風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于全年平均風(fēng)速，這勢(shì)必將造成冰凍電量損失的高估。

（2）對(duì)于測(cè)風(fēng)塔來(lái)說(shuō)，輕微的冰凍即可使測(cè)風(fēng)塔上的風(fēng)速儀結(jié)冰，致使將這段時(shí)間判定為冰凍時(shí)刻并代入冰凍損失計(jì)算。但這種輕微冰凍對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片和發(fā)電量的影響比較小，葉輪的旋轉(zhuǎn)可以將薄冰甩下繼續(xù)運(yùn)行。

（3）冰凍期間機(jī)組采用“大風(fēng)小功率故障”結(jié)合人工判斷停機(jī)的方法，其滯后性會(huì)遺漏部分冰凍故障時(shí)間，輸入模型后導(dǎo)致模擬的損失電量偏低。

4 結(jié)論與討論

本文通過(guò)某山地風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和模擬仿真的方法，對(duì)結(jié)冰氣候影響風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量做了精細(xì)化分析，并給出了指導(dǎo)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)階段的冰凍氣候評(píng)估方法，針對(duì)南方高濕低溫山地風(fēng)場(chǎng)得到了如下結(jié)論。

①在風(fēng)電場(chǎng)前期風(fēng)資源評(píng)估階段，直接使用冰凍時(shí)間比例來(lái)代替冰凍折減系數(shù)將產(chǎn)生對(duì)冰凍電量損失的明顯高估。南方山地項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的冰凍電量損失應(yīng)酌情取值，建議取測(cè)風(fēng)塔冰凍時(shí)間的70%。

②測(cè)風(fēng)塔和風(fēng)電機(jī)組的冰凍更易發(fā)生在小風(fēng)速時(shí)段。貴州、四川等冬季平均風(fēng)速較小的地區(qū)更需要對(duì)冰凍電量損失進(jìn)行精細(xì)化的評(píng)估。

③建議通過(guò)加裝溫度傳感器等方法實(shí)現(xiàn)冰凍時(shí)期風(fēng)電機(jī)組的自動(dòng)控制，并在融冰期間嘗試限制功率啟動(dòng)，減少電量損失。