功率曲線特性測(cè)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(yáng)，蔡曉峰

功率曲線特性測(cè)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(yáng)，蔡曉峰

隨著我國(guó)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(guò)程中，對(duì)機(jī)組功率曲線特性進(jìn)行評(píng)估顯得尤為重要。通過(guò)評(píng)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(duì)機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的質(zhì)量控制以及后期運(yùn)行過(guò)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(cè)量風(fēng)速的功率曲線測(cè)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(cè)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(cè)風(fēng)速的補(bǔ)償算法，計(jì)算得到有效風(fēng)速。經(jīng)過(guò)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(guó)機(jī)組的功率、風(fēng)速等指標(biāo)的檢測(cè)主要通過(guò)機(jī)組主控系統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備和風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔，很多單位對(duì)功率曲線的檢測(cè)已取得了一些成果，但對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)速的補(bǔ)償算法和功率曲線測(cè)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(cè)試儀和激光雷達(dá)測(cè)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(cè)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(píng)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(cè)量

一、數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)象

數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)象為3臺(tái)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(tái)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(cè)試儀，機(jī)組#1與機(jī)組#2的側(cè)面平行位置裝有一臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀。

二、數(shù)據(jù)采集工具

（一）功率曲線特性測(cè)試儀。它能獨(dú)立地測(cè)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(jí)，電能檢測(cè)模塊精度：0.5級(jí)，超聲波風(fēng)速儀偏差：±3%，功率曲線特性測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（二）激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀。Zephir公司的ZP3000測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)風(fēng)儀采集的風(fēng)速，采樣時(shí)間上具有分段連續(xù)性。測(cè)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(duì)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。考慮了不同高度梯度下風(fēng)速變化的影響，選擇與功率曲線測(cè)試儀處于同一高度層的測(cè)風(fēng)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)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(cè)試設(shè)備的運(yùn)行狀況對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除無(wú)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(cè)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(shuō)明功率曲線測(cè)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(guò)分析工具，生成功率曲線測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)功率曲線測(cè)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(duì)分析，P1為功率曲線測(cè)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(duì)角線區(qū)域。通過(guò)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(duì)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(cè)試儀與激光雷達(dá)測(cè)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(cè)試儀與激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀采集風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比分析，顯示激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀采集風(fēng)速比功率曲線測(cè)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(cè)試儀采集風(fēng)速，Z為激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀采集風(fēng)速。對(duì)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(cè)試儀與激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀兩個(gè)設(shè)備所采集到的風(fēng)速并沒(méi)有極強(qiáng)的相關(guān)性。

根據(jù)IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)速測(cè)量的具體要求，考慮到IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)相對(duì)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(cè)試儀的便利性，本文采用對(duì)機(jī)組尾部實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)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(cè)風(fēng)儀采集風(fēng)電場(chǎng)的自由風(fēng)速，功率曲線測(cè)試儀采集機(jī)組尾流風(fēng)速，通過(guò)風(fēng)速補(bǔ)償算法得到風(fēng)電場(chǎng)自由風(fēng)速與功率曲線測(cè)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(cè)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(cè)試儀采集風(fēng)速為輸入，激光雷達(dá)測(cè)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(lái)源于被檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)照可以看出，有效風(fēng)速補(bǔ)償算法提高了功率測(cè)試儀與激光雷達(dá)測(cè)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(cè)風(fēng)速的精確度，最終實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確評(píng)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(cè)試儀的風(fēng)速補(bǔ)償算法，通過(guò)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(cè)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(chǎng)兩臺(tái)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(cè)試儀所測(cè)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(shuō)明使用功率曲線特性測(cè)試儀可以準(zhǔn)確地檢測(cè)此兩臺(tái)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(duì)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(cè)試儀所測(cè)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(shuō)明經(jīng)功率曲線特性測(cè)試儀檢測(cè)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(duì)該機(jī)組風(fēng)速儀進(jìn)行了維護(hù)和程序升級(jí)。

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(duì)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(shuō)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(cè)試儀所測(cè)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(cè)試儀所測(cè)功率低于保證功率曲線，說(shuō)明經(jīng)功率曲線特性測(cè)試儀檢測(cè)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(cè)量值為發(fā)電機(jī)機(jī)端功率，而功率曲線特性測(cè)試儀測(cè)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(cè)試儀能夠獨(dú)立地檢測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)風(fēng)速的偏差，并生成更符合實(shí)際工況的功率曲線，對(duì)已投運(yùn)風(fēng)電機(jī)組功率曲線的測(cè)定和機(jī)組開(kāi)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(yáng)，蔡曉峰：沈陽(yáng)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司）