風機功率曲線和功率保證值計算研究

摘 要:本文介紹了一種利用風機實際運行數據，依據“IEC61400-12:功率特性測試”，計算風機功率曲線和功率保證值的方法。本文采用了我國內蒙地區的實際風速、風況以及風機運行數據，采用bin方法對這些數據進行處理，整理出一套適合我國風電運營單位應用的風機功率曲線和功率保證值的考核方法。

關鍵詞:風力發電機組特性功率曲線功率保證值風場考核

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0003-02

以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式—— “低碳經濟”，已經成為世界經濟未來發展的必然選擇。發展低碳經濟越來越成為世界各國的共識，倡導低碳消費也越來越成為人類社會新的生活方式。新能源產業，作為新生的國民經濟支柱產業。尤其是在風力發電行業，近年來，我國政府頒布了一系列的優惠政策，推動風電企業發展。

目前，隨著風機制造技術的進步，風力發電機的質量有了長足進步，大部分風機廠家的風機都經過國內外權威機構的認證，其樣機的功率曲線和性能都經過授權機構的測量。但是，因為進行樣機測試功率曲線的氣象條件、地形條件、風資源狀況與各個風場風機實際運行的條件有所的不同，所以風場風機實際運行的發電量比預期的發電量低。利用風機運行數據，準確計算各風機的功率曲線和功率保證值，建立的考核制度可以用來衡量風機性能參數是否滿足風場當地外的風資源特點，為風機參數調整提供有力依據，從而最終提高風場發電量。

通過對同一風機的功率曲線和功率保證值不同時間的分析，可以衡量風機重要部件的老化程度和風場運行維護的水平。從而為風機的研發提供建議。另外，通過對不同機位風機和風況的長期分析，可以為風電場前期，風機微觀選址和風機安裝提供建議。

1 風力發電機組功率曲線計算

1.1 測量前的準備

在進行功率曲線測量前，應保證風機主要部件工作正常，風機葉片表面清潔，無積雪、積冰現象。

1.2 數據來源與采集方法

風速:以風電場中央監控系統記錄的每臺風機處的風速為準。

風電場的實際平均空氣密度應以風電場內測風塔的氣壓和溫度的實測值計算得出。如果風電場內沒有氣壓、溫度測量裝置，則近似認為該風場當前實際空氣密度等于該風電場附近氣象站所提供的月平均空氣密度值。

風機實測功率以風場中央監控系統記錄的每臺風電機組的功率為準。

在進行數據采集時，應保證各個數據的采樣時間不大于30s，且采樣時間能夠把10min整除。

根據IEC標準，在數據采集完成時，現場采集到的風速數據應至少覆蓋從(切入風速)-1m/s到1.5(85%的額定功率時的風速)m/s的風速區間。例如:某型號風機(切入風速為3m/s，額定功率為1500kW)，85%的額定功率(1275kW)對應風速為10m/s，則繪制出的功率曲線應該包含從2m/s到15m/s(1.5×10m/s)的范圍。

在數據采集結束時應保證如下。

(1)對于每個規定的統計區間(“統計區間”的界定見后文)應至少保證30min的統計數據。

(2)保證風機在規定的風速范圍內，正常運轉180h以上。

1.3 采集數據的處理

根據公式(1)，計算風電場的各參數的10min平均值，采用十分鐘平均值進行計算，一方面可以降低單次測量數據的隨機系統誤差;另一方面采用十分鐘平均值可以在提高計算精度的同時，提高計算效率:

(1)

其中:

為10分鐘數據采集個數;

為某參數數據采集值;

為某參數10min平均值。

如果現場有測量溫度、壓力的儀器，應根據公式(2)，計算風電場實際空氣密度10分鐘平均值:

(2)

其中:

為風場空氣密度10min平均值;

為風場實測絕對溫度10min平均值;

R為氣體常數287.05J/(kgK)。

如果現場沒有相應的測量設備，則現場的空氣密度可取可研中的空氣密度。

如果和廠家的功率曲線規定的空氣密度相比，相差小于0.05kg/m3，則對應的功率和風速無需修正。

如果和廠家的功率曲線規定的空氣密度相比，相差大于0.05kg/m3，則對應的功率和風速按如下修正。

對于定槳距風機:應對測得的風機功率按公式(3)進行修正:

(3)

其中，為修正后的風機輸出功率;

為實測風機輸出功率的1min平均值;

為廠家的功率曲線規定的空氣密度;

為風場空氣密度10min平均值。

對于變槳距風機:應對測得的風速按公式(4)進行修正:

(4)

其中，為修正后的風機輸出風速;

為實測風機輸出風速的10min平均值;

為廠家的功率曲線規定的空氣密度;

為風場空氣密度10min平均值。

1.4 功率曲線保證計算

在進行功率曲線保證計算時，應首先定義統計區間。根據IEC相關標準的規定，把測量數據所覆蓋風速范圍分為長度為0.5m/s的統計區間，區間的中心為0.5m/s的整數倍(如圖1所示)。

然后按照公式(5)(6)計算各個統計區間的平均風速和平均功率:

(5)

(6)

其中，為第i個統計區間的平均風速;

為第i個統計區間的平均功率;

為修正后第i個統計區間的第j個風速值;

為修正后第i個統計區間的第j個功率值;

為落入第i統計區間的數據量。

按照劃分的統計區間，統計各風速區間的風頻值:

(7)

其中:

為第i個統計區間的頻率;

為風速落入第i統計區間的數據量;

為風速數據總量。

按照公式(8)計算，功率保證系數K:

K為單臺風機的功率保證系數;

M為統計區間個數;

為第i個統計區間的頻率;

為第i個統計區間的平均功率;

為廠家給定的對應統計區間平均風速的功率。

計算得到的功率保證系數可用于合同中規定的保證值進行比較。

1.5 功率曲線計算時所用到的軟件

由于功率曲線計算時需要風機一年的運行數據，而且要求數據采集間隔不大于30s。因此計算時，應用的數據總量約100萬個。如果采用一般的辦公軟件實現如此大量的數據計算(例如Excel，單張表格只有6萬行)，計算效率較低。

在該方法中，數據處理使用了Wolfram開發的Mathematica計算軟件。該軟件使用比較簡單，經過短期培訓就能迅速掌握。

功率曲線考核功率曲線考核應每半年進行一次，測量單位為單臺風機。風場應選取風場風機10%以上的風機進行考核計算，并重點選取經過技術改造或在額定風速下，發電量較低的風機進行核算。通過核算分析可以判斷風機發電性能是否合格，是否需要對風機進行優化。

2 實際運行機組功率曲線評估

為了驗證本方法計算的準確性，對內蒙的某風場進行實驗計算。計算中采用了2009年1月1日至2009年12月31日，風機運行數據，以及2009年1月1日至2009年12月10日的測風數據。通過計算，雖然該風場風機可靠性較高，但運行功率曲線比保證功率曲線低很多，功率保證值僅為93.7%。特別是在額定風速下，部分風機僅達不到額定功率的92%。另外，還有一部分風機，有不失速，或者失速風速右移的情況，這種情況的出現會對發電機和傳動鏈的使用壽命造成極為不利的影響。

根據風機功率曲線的分析結果，風場運行單位要求風機廠家，根據不同風速段風機所表現的性能特點，調整風機參數設置和葉片安裝角，并對部分風機葉片，加裝擾流發生器。圖2反映了風機修正前后功率曲線改善的情況。經過計算，風機整改后，功率曲線值提高到95.8%。發電量大幅提高。

3 結語

本文的結論如下:(1)本文介紹的功率曲線和功率保證值的測量方法能夠較好的反映風機運行的實際情況。(2)通過風機風力曲線的分析，可以對不同風速下，風機性能做出評價，對風機主要部件老化的加速情況、風機出力的穩定性分析，提供有力數據。(3)風機運行的工況會對風機的性能產生顯著影響，通過風機功率曲線的分析，對風機控制參數和葉片進行調整，可以大幅提高發電量。(4)通過本考核方法的執行，進一步加強風力發電的生產管理，完備的生產指標體系，通過對生產指標的橫向對比評價，提高了各風電場核心競爭力，從而推動生產經營活動向低成本、低排放、高效益方向發展，實現企業生產管理的縱向提升。

參考文獻

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