風(fēng)電場(chǎng)空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量影響的研究

文 | 劉麗麗

風(fēng)電場(chǎng)空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量影響的研究

文 | 劉麗麗

近年來(lái)，隨著風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)水平的不斷提高，變速恒頻的風(fēng)電機(jī)組已逐漸成為風(fēng)電機(jī)組廠(chǎng)家的主流設(shè)計(jì)方案，其特點(diǎn)在于風(fēng)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速允許根據(jù)風(fēng)速情況在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化，從而使得風(fēng)電機(jī)組獲得最佳的功率輸出。然而，在風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組輸出功率不僅與風(fēng)速有關(guān)，還會(huì)受到風(fēng)電場(chǎng)空氣密度的影響。

目前，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組制造商在選擇風(fēng)電機(jī)組的控制策略時(shí)，僅根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)年平均空氣密度來(lái)確定單一的控制策略，很少考慮空氣密度變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率產(chǎn)生的影響。鑒于中國(guó)復(fù)雜的地形環(huán)境，同一地區(qū)空氣密度隨時(shí)間推移波動(dòng)較大，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率達(dá)不到廠(chǎng)家設(shè)計(jì)的最優(yōu)輸出功率值，因此風(fēng)電機(jī)組制造商在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，應(yīng)該根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)隨全年空氣密度變化的實(shí)際情況，分析不同控制策略對(duì)功率產(chǎn)出的影響，調(diào)整并優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組控制策略，確保風(fēng)電機(jī)組盡可能多地捕獲風(fēng)能。

風(fēng)電機(jī)組控制策略

風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)（圖1）是通過(guò)對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇與風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行相匹配的控制策略，控制風(fēng)電機(jī)組使其在各種風(fēng)況下均能獲得最佳的功率輸出，同時(shí)確保控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

簡(jiǎn)言之，風(fēng)電機(jī)組的控制策略描述的就是風(fēng)電機(jī)組根據(jù)功率－轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩平面坐標(biāo)關(guān)系達(dá)到穩(wěn)態(tài)理想功率曲線(xiàn)的過(guò)程，即在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行范圍內(nèi)每個(gè)風(fēng)速下的轉(zhuǎn)矩（或功率）和轉(zhuǎn)子速度的穩(wěn)態(tài)值問(wèn)題，如圖2所示。

從圖2可以看出，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，只有在最佳轉(zhuǎn)矩T的狀態(tài)下，才能獲得最大輸出功率P。無(wú)論風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)矩大于或小于最佳轉(zhuǎn)矩T，都會(huì)出現(xiàn)實(shí)際輸出功率小于最大輸出功率P的狀況。

空氣密度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

空氣密度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式：

空氣密度與轉(zhuǎn)矩成正比，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)空氣密度發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之改變。在風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)電場(chǎng)空氣密度隨時(shí)間推移發(fā)生改變，轉(zhuǎn)矩受到風(fēng)電場(chǎng)空氣密度變化的影響，也隨之發(fā)生改變，從而偏離廠(chǎng)家設(shè)計(jì)的最佳轉(zhuǎn)矩，風(fēng)電機(jī)組輸出功率也就達(dá)不到廠(chǎng)家設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組控制策略中的最大輸出功率值，必然會(huì)存在發(fā)電量的損失情況。

實(shí)例分析

本文根據(jù)中國(guó)的地理狀況，選取南方沿海、北方內(nèi)陸兩個(gè)具有代表性的風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展研究，分析不同地域風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組輸出功率受空氣密度的影響程度，為風(fēng)電機(jī)組確定不同的控制策略，以達(dá)到當(dāng)?shù)乜諝饷芏认碌淖顑?yōu)發(fā)電量。

圖1　風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)

圖2　風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩、功率曲線(xiàn)圖

本文利用某風(fēng)電機(jī)組廠(chǎng)家提供的當(dāng)?shù)啬昶骄諝饷芏认碌墓β是€(xiàn)，與風(fēng)電場(chǎng)每月空氣密度下實(shí)際輸出功率作對(duì)比，分析每月功率損失值，最終得出全年因空氣密度影響導(dǎo)致的發(fā)電量損失值。

一、 廣東某風(fēng)電場(chǎng)

根據(jù)該風(fēng)電場(chǎng)的氣象站數(shù)據(jù)庫(kù)得知，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄諝饷芏葹?.167kg/m3，每月平均空氣密度都偏離此值，因此每月都或多或少存在功率損失情況。每月平均空氣密度情況見(jiàn)表1。

根據(jù)圖3中該風(fēng)電場(chǎng)每月空氣密度的變化情況，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域空氣密度變化幅度較大，廠(chǎng)家在設(shè)置風(fēng)電機(jī)組控制策略時(shí)，可以按每月平均空氣密度逐月設(shè)計(jì)之相對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組控制策略，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組每月都能達(dá)到最佳輸出功率的狀態(tài)。

從圖4可以看出，只要空氣密度偏離年平均空氣密度，無(wú)論高于或低于年平均空氣密度，風(fēng)電機(jī)組輸出功率都會(huì)低于設(shè)計(jì)值，出現(xiàn)損失情況；而且實(shí)際空氣密度偏離年平均空氣密度越大，風(fēng)電機(jī)組輸出功率損失越多。將每月空氣密度下實(shí)際輸出功率與廠(chǎng)家控制策略中設(shè)計(jì)的輸出功率做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)電場(chǎng)全年因空氣密度引起的功率損失約0.33%，即全年理論發(fā)電量損失約24.75萬(wàn)千瓦時(shí)。

表1　廣東某風(fēng)電場(chǎng)每月平均空氣密度值

圖3　廣東某風(fēng)電場(chǎng)每月空氣密度曲線(xiàn)圖

圖4　廣東某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率損失值與月空氣密度曲線(xiàn)圖

二、黑龍江某風(fēng)電場(chǎng)

根據(jù)黑龍江某風(fēng)電場(chǎng)的氣象站數(shù)據(jù)庫(kù)得知（表3），當(dāng)?shù)囟嗄昶骄諝饷芏葹?.259 kg/m3，每月平均空氣密度都偏離1.259，因此每月都或多或少存在功率損失情況（表4）。

根據(jù)圖5中該風(fēng)電場(chǎng)每月空氣密度變化的曲線(xiàn)圖發(fā)現(xiàn)，此區(qū)域空氣密度變化比較有規(guī)律性，廠(chǎng)家在設(shè)置風(fēng)電機(jī)組控制策略時(shí)，可以根據(jù)月平均空氣密度變化情況采取半年調(diào)整一次機(jī)組控制策略的方案，實(shí)現(xiàn)每半年都能達(dá)到最佳輸出功率的運(yùn)行方式。

從圖6可以看出，風(fēng)電機(jī)組輸出功率損失值基本上與空氣密度偏離年平均空氣密度的趨勢(shì)一致，無(wú)論空氣密度高于或低于年平均空氣密度，風(fēng)電機(jī)組輸出功率都會(huì)低于設(shè)計(jì)值，出現(xiàn)損失情況。將每月空氣密度下實(shí)際輸出功率與廠(chǎng)家控制策略中設(shè)計(jì)的輸出功率做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)電場(chǎng)全年因空氣密度引起的功率損失約0.58%，即全年理論發(fā)電量損失約59.4萬(wàn)千瓦時(shí)。

表3　黑龍江某風(fēng)電場(chǎng)每月平均空氣密度值

表4　黑龍江某風(fēng)電場(chǎng)因空氣密度變化引起的功率損失表

圖5　黑龍江某風(fēng)電場(chǎng)每月空氣密度曲線(xiàn)圖

圖6　黑龍江某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率損失值與月空氣密度曲線(xiàn)圖

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上兩個(gè)案例發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，只要空氣密度偏離廠(chǎng)家提供的風(fēng)電機(jī)組控制策略設(shè)計(jì)值，風(fēng)電機(jī)組都無(wú)法達(dá)到其廠(chǎng)家控制策略中最佳設(shè)計(jì)值，都會(huì)存在發(fā)電量損失情況。因此風(fēng)電機(jī)組廠(chǎng)家在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的控制策略時(shí)，不能全年僅采用單一的風(fēng)電機(jī)組控制策略，應(yīng)該考慮一年內(nèi)空氣密度變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率產(chǎn)生的影響，采取一年內(nèi)按月、季度或者半年多次調(diào)整控制策略的方式來(lái)優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行，使風(fēng)電機(jī)組盡可能多地處于最佳轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，充分捕獲風(fēng)能，獲得最大輸出功率。

（作者單位：中國(guó)大唐集團(tuán)新能源股份有限公司）