一種風力發電機組功率曲線的驗證方法

劉陽林，葉小廣，楊超，劉慶超

一種風力發電機組功率曲線的驗證方法

劉陽林1，葉小廣2，楊超1，劉慶超2

（1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，云南昆明650228；2.華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

在風力發電的過程中，風電機組的功率曲線是評價風力發電機組性能優劣的一項重要指標，關系到風機的實際發電性能和風電場的實際效益。基于IEC61400-12標準，利用SCADA系統記錄的風速-功率數據，對某風場在役風機功率曲線進行了驗證，并依據實測的風速-功率對測試風機的性能做了定性的對比和評估。

SCADA；實測數據；功率曲線；性能評估

0 引言

在綠色能源成為整個能源體系不可或缺的一部分的今天，風能作為一種永續性的清潔能源正逐漸成為國家能源發展戰略的重要組成部分[1]。國家風電“十三五”規劃指出，2020年風電裝機將達4200億kW，占總發電量的6%，期間風電建設總投資將達到7000億元以上。

整個風電行業迅速發展，我國已經成為全球最大的風電市場，在產業發展中，業主方和設備供應方在達標投產驗收、出質保驗收等環節需要進行一系列的機組評估工作。功率曲線是考核機組性能、評估機組發電能力的一項重要指標。目前的標定方法是按照IEC61400-12進行操作[2-4]。在實際運維過程中，功率曲線的準確性有著重要意義，若功率曲線過多高于保證曲線，機組將處于過負荷運行狀態，影響機組壽命。若過多低于保證功率曲線，將極大的影響發電量。

為了評估風機實際性能，本文提出一種機組功率曲線的驗證方法，該方法按IEC標準，結合機組運行數據，對某風電場在役風機實際功率曲線進行測定，并定性分析其發電性能。

1 測試風機選取

參考相關標準測試風機選取原則如下：

1）目標機組在測試期間故障率較少；

2）葉片不應有砂眼等缺陷；

3）風機其他部件完好，運行穩定可靠；

4）主風向上風向無明顯障礙物。

2 數據采集和對比

2.1 數據的采集

功率曲線驗證的關鍵因素之一是風速測量，由于受到尾流等因素的影響導致封基自身測得的風速數據并不準確。而測風塔則受到地形、塔影效應等諸多因素的制約，對實測風速的測量結果也帶來了相當大的不確定性。故本文采用高精度的激光雷達測風儀來對風速進行測定。

2.2 風速數據對比

風機SCAD A風速為風機輪轂高度處葉輪后測得的風速，為更方便地對激光雷達測風儀及風機SCAD A風速進行比較分析，剔除失測及無效數據后，對測試期間激光雷達測風儀輪轂高度處的實測風速與同期風機SCA DA風速相關性及平均風速對比如圖1和表1所示。

兩者相關性函數為y=1.04x，R2=0.96，相關性較好。

由表1可知激光雷達測風儀輪轂高度處的風速大于風機SCA DA風速，相差達0.31m/s。

圖1 實測風速與風機S C A D A風速相關性

表1 激光雷達測風儀風速與SC A D A風速對比

2.3 功率數據對比

表2 實測和風機SC A D A功率對比

圖2 實測功率與風機S C AD A功率相關性

測試期間風機功率由功率測試儀實測和風機SCAD A系統分別采集，功率測試儀安裝在測試風機箱變低壓側，兩種功率數據采集時間與激光雷達測風儀采集時間保持同步，功率測試儀精度等級符合相關標準要求。

測試期間實測功率與風機SCAD A功率平均值對比見表2。

對比發現，實測平均功率與風機SCAD A平均功率基本相等，二者相差1kW。

實測功率與風機SCAD A功率相關性如圖2所示。

二者相關性函數y=0.996x，R2=0. 9993，相關性較好。由此表明測試的準確性，可以作為功率曲線評估的參考。

3 數據標準化

由于廠家提供的是基于特定空氣密度下保證功率曲線，故按照相關標準需對風速進行標準化處理，由激光雷達測風儀所測得的大氣壓強、溫度與濕度數據計算得到的測試期間實際空氣密度，空氣密度計算方法依據IEC61400-12-1標準執行。

實際空氣密度ρ根據測風儀所測的大氣溫度T，相對濕度Φ和大氣壓力B，用下式計算得出：

式中ρ—空氣密度，kg/m3；

B—大氣壓力，Pa；

T—絕對溫度，K；

Φ—相對濕度，取0＜Φ＜1；

R0—干燥空氣的氣體常數，取287.05J/kgK；

Rw—水蒸汽的氣體常數，取461.5J/kgK；

Pw—蒸汽壓力，Pa。

其中：將激光雷達測風儀所測的大氣壓力、大氣溫度和相對濕度通過式（1）和式（2）計算得到10m in實際空氣密度，見表3。

表3 測量期間平均空氣密度

按照IEC標準對風速標準化處理，依據下式對風速進行標準化處理：

式中Vn—折算后的風速值，m/s；

V10min—測得的10m in平均風速值，m/s；

ρ10min—所得到的10m in平均空氣密度，kg/m3；

ρ0—標準空氣密度，kg/m3。

經過標準化處理，激光雷達測風儀測試機組輪轂高度處風速變化前后結果見表4。

表4 風速標準化處理后結果

4 功率曲線驗證

4.1 實際功率曲線

按照IEC標準要求[2]，按以下原則剔除測風儀異常情況、停機、故障時間段內及測量扇區之外等的數據，具體需剔除以下數據：

（1）風速以外的其他外部條件超出風機的運行范圍；

（2）風機故障引起風機停機；

（3）在測試或在維護運行中人工停機；

（4）激光雷達測風儀故障；

（5）干擾扇區的數據；

（6）棄風限電以及自身限電期間數據。

將測試風機風速、功率參數按照上述剔除規則進行剔除，處理后的數據散點圖如圖3所示。

圖3 風機輪轂高度風速及實測功率散點圖

圖4 IG B T過溫限功率散點

圖3中，深色原點為剔除數據，淺色星點為保留數據。其中，在低風速段有一部分測風儀精度降級予以剔除。在功率為1500kW附近有大量的散點被剔除，這是由機組自身IG BT過熱限功率造成。經統計限功率時間總長為93.7h，通過與保證功率曲線對比，限功率時間段內損失發電量為8871.88kW h。

數據標準化后，參照標準，將所選數據組采用區間法存儲，風速范圍劃分為測試風機切入風速以下1m/s起，以0.5m/s整數倍的風速為中心，左右各0.25m/s的連續區間，分別計算各區間平均風速和平均功率。

4.2 與保證功率曲線對比

將風機保證功率曲線處理成區間化的功率曲線表，繪制成對應功率曲線，如下圖所示。

圖5 基于測試風機輪轂高度處風速的實測功率曲線、S C AD A功率曲線與廠家保證功率曲線對比

由圖5可以看出基于測試風機輪轂高度處風速的實測功率曲線、SCA D A功率曲線在中低風速段均略高于廠家提供的保證功率曲線；在高風速段略低于廠家提供的保證功率曲線。可能原因是：1）廠家在投標過程中提供的功率曲線是靜態功率曲線；2）測試時湍流情況與廠家保證功率曲線所考慮的湍流情況不一致。

5 結語

為對機組功率曲線進行科學可靠的驗證，本文提出一種結合風機實際運行數據與測量數據的功率曲線驗證方法。實驗證明，該方法可以正確的測量機組功率曲線，有助于發現機組實際功率曲線與保證功率曲線之間的差異。后續研究中，可以進一步挖掘機艙后風速儀測量風速與實測風速之間的關系，為風電機組的評估提供參考依據。

[1]W orld W ind Energy Association.W ind Energy International 2009～2010[M].Bonn:W orld W ind Energy A ssociation,2009.

[2]W ind Turbines Generator System s Part 12：W ind turbine Pow er Perform ance Testing[S].IEC

[3]焦渤，薛揚，李慶，等.風電機組功率特性和載荷測試場地標定方法[J].電網與清潔能源，2011，27（4）：54-56.

[4]馬平，劉昌華.風力發電機組功率曲線的驗證[J].可再生能源，2008，（6）：82-83.

[5]王鈐，潘險險，陳迎，等.基于實測數據的風電場風速-功率模型的研究[J].電力系統保護與控制，2014，（42）：23-27.

修回日期：2016-12-02

構皮灘水電站第一級升船機廠內機電聯調試驗通過驗收

2017年3月8日至10日，由杭州國電機械設計研究院有限公司承擔的貴州烏江構皮灘水電站第一級升船機廠內機電聯調試驗在江蘇武東順利通過驗收。

驗收組聽取了廠內機電聯調安裝、調試、監造情況及構皮灘水電站升船機項目管理情況的匯報，查閱了文件資料，并進行了現場檢測。經審查評定認為，試驗資料詳實、齊全，同意通過驗收。此次驗收設備含8套高速驅動裝置、8臺減速器、16套卷筒裝置及相關設備。

來自杭州國電機械設計研究院有限公司、華電鄭州機械設計院有限公司、貴州烏江水電開發有限責任公司、構皮灘電站建設公司等相關單位人員參加驗收。

A Method to Verify the Wind Speed-power Curve of Wind Turbine

LIU Yang-lin1，YE Xiao-guang2，YANG Chao1，LIU Qing-chao1
（1.Yunnan Huadian New Energry Co.，Ltd，Kunming 650228，China；2.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

In the processofwind powergeneration,the pow ercurve ofwind turbine is an im portantindex to evaluate the perform ance ofthe wind turbine,w hich is related to the actualperform ance ofthe wind turbine and the actualbenefitsof the wind farm..In this paper,based on the IEC61400-12 standard,the w ind speed pow erdata recorded by the SCAD A system isused to verify the powercurve ofwind turbinesin a wind farm.And the perform ance ofwind turbine generatorisevaluated according to the m easured w ind speed-pow ercurve.

SCAD A；m easured data；pow er curve；perform ance evaluation

TM 315

B

2095-3429（2017）01-0059-04

2016-06-20

劉陽林（1968-），男，助理工程師，從事風力發電運行、風電機組故障診斷和檢修工作。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.014