基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組功率曲線可靠性評(píng)估

袁紅亮，胡 義

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 西安 710065)

0 前 言

在風(fēng)電場(chǎng)竣工投產(chǎn)后，風(fēng)電機(jī)組的出力特性決定著整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，而評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)出力特性的優(yōu)劣時(shí)，其功率曲線是重要的考核指標(biāo)之一。所以根據(jù)SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)[1]系統(tǒng)中采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性進(jìn)行驗(yàn)證分析是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估的重要組成部分，同時(shí)也是風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)估的重要內(nèi)容之一。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者通過(guò)SCADA系統(tǒng)中的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的功率特性進(jìn)行評(píng)估。劉昊[2]根據(jù)IEC61400-12功率特性測(cè)試中的Bin方法，對(duì)SCADA系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組的實(shí)測(cè)風(fēng)速與功率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際功率曲線，并且對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能進(jìn)行分析；Kelouwani S[3]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建非線性模型對(duì)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且根據(jù)SCADA系統(tǒng)中10 min的平均風(fēng)速對(duì)非線性模型進(jìn)行驗(yàn)證，得到風(fēng)電機(jī)組的預(yù)測(cè)功率與實(shí)際功率的誤差為1%。

1 數(shù)據(jù)的篩選與修正

1.1 數(shù)據(jù)的篩選

為了提高風(fēng)電機(jī)組功率曲線評(píng)估的準(zhǔn)確性，需要將風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)風(fēng)速和有功功率數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理，以保證被分析的是風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)。所以，下列情況下的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行剔除[4]：

(1) 根據(jù)從SCADA系統(tǒng)中采集得到的停機(jī)統(tǒng)計(jì)和持續(xù)時(shí)間，對(duì)同期風(fēng)機(jī)停機(jī)前后30 min的瞬時(shí)風(fēng)速、有功功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除；

(2) 當(dāng)瞬時(shí)風(fēng)速大于切入風(fēng)速，有功功率仍為0的數(shù)據(jù)，即機(jī)組不工作的數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除；

(3) 在正常數(shù)據(jù)點(diǎn)比較密集的功率曲線下方，可能存在一些比較分散的欠功率點(diǎn)，需分析風(fēng)機(jī)是否處于限負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)該運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

1.2 數(shù)據(jù)的修正

在根據(jù)風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖擬合成功率曲線之前，需要對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)量進(jìn)行修正，折算到與風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)階段理論功率曲線相同的條件下。

(1) 空氣密度可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣溫和氣壓的測(cè)量值得到：

(1)

式中:ρ10min為空氣密度10 min的平均值，kg/m3；T10min為絕對(duì)氣溫10 min的平均值,℃+273；P10min為測(cè)量氣壓10 min平均值,Pa；R0為氣體常數(shù)，287.05 J/(kg·K-1)。

(2) 對(duì)定槳距的失速調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組，可根據(jù)下式對(duì)有功功率進(jìn)行修正[5]：

(2)

式中:Pn為修正后的有功功率；P10min為有功功率10 min的平均值；ρ1為理論功率曲線對(duì)應(yīng)的空氣密度。

(3) 對(duì)變槳距控制風(fēng)電機(jī)組，應(yīng)根據(jù)下式進(jìn)行風(fēng)速修正[5]：

(3)

式中:Vn為修正后的風(fēng)速；V10min為風(fēng)速10 min的平均值。

2 功率曲線繪制

將風(fēng)速分割成多個(gè)1 m/s的小區(qū)間(如[3.5 m/s，4.5 m/s])，對(duì)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)V10min和P10min取平均值。具體計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

式中:Vi為第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間平均風(fēng)速；Vi,j為第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間數(shù)據(jù)j風(fēng)速；Pi為第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間的平均輸出功率；Pi,j為第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間數(shù)據(jù)j輸出功率；Ni為第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)10 min數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

以每個(gè)區(qū)間的平均風(fēng)速為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，可繪制風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的功率曲線。

3 功率曲線評(píng)估實(shí)例

本文所選取的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)例位于陜北地區(qū)，風(fēng)電場(chǎng)已成功運(yùn)營(yíng)了5 a時(shí)間。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)共有25臺(tái)風(fēng)機(jī)，本次功率曲線評(píng)估選取的是具有代表性(不因電網(wǎng)限負(fù)荷而限電運(yùn)行)的2、12和16號(hào)3臺(tái)樣板風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)見(jiàn)表1。該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布置見(jiàn)圖1所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組基本參數(shù)表

圖1 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布置圖

考慮到運(yùn)行數(shù)據(jù)的完整性，評(píng)估過(guò)程中選取3臺(tái)樣板風(fēng)機(jī)2016.06.01-2016.08.31時(shí)段內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速和有功功率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照本文1.1節(jié)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，根據(jù)14號(hào)風(fēng)機(jī)北邊測(cè)風(fēng)塔M1測(cè)量的同期氣溫和大氣壓計(jì)算得到現(xiàn)場(chǎng)同期時(shí)段內(nèi)空氣密度為0.974 kg/m3；而風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)階段使用的理論功率曲線對(duì)應(yīng)的空氣密度為1.041 kg/m3，所以采用公式(3)進(jìn)行風(fēng)速修正。數(shù)據(jù)修正后得到2、12、16號(hào)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速-功率的散點(diǎn)如圖2～4所示。

圖2 2號(hào)風(fēng)機(jī)風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖

根據(jù)修正后的風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速-輸出功率數(shù)據(jù)，按照公式(4)、(5)計(jì)算得到每個(gè)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)的平均風(fēng)速和平均輸出功率，擬合成一條風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率曲線。并且與風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)階段廠家提供的理論功率曲線進(jìn)行對(duì)比，得到3臺(tái)風(fēng)機(jī)實(shí)際功率曲線與理論功率曲線的對(duì)比圖，如圖5所示。

圖3 12號(hào)風(fēng)機(jī)風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖

圖4 16號(hào)風(fēng)機(jī)風(fēng)速-功率散點(diǎn)圖

由圖5可以看出,3臺(tái)風(fēng)機(jī)在達(dá)到額定功率后，風(fēng)機(jī)會(huì)保持部分超額發(fā)電；在[3 m/s，9 m/s]中低風(fēng)速段均略高于設(shè)計(jì)階段廠家提供的理論功率曲線；在[9 m/s，14 m/s]高風(fēng)速段低于廠家提供的功率曲線。可能原因是：① 廠家在設(shè)計(jì)階段提供的功率曲線是靜態(tài)功率曲線；② 實(shí)際運(yùn)行時(shí)段的湍流強(qiáng)度等外界因素與設(shè)計(jì)階段考慮的湍流強(qiáng)度不一致；③ 風(fēng)機(jī)部件老化，導(dǎo)致控制策略滯后的風(fēng)速變化。

圖5 3臺(tái)風(fēng)機(jī)實(shí)際功率曲線與理論功率曲線的對(duì)比圖

4 功率保證值的計(jì)算

4.1 計(jì)算方法

按照風(fēng)速的劃分區(qū)間，統(tǒng)計(jì)各風(fēng)速段的風(fēng)頻值：

(6)

式中:θi為第i個(gè)統(tǒng)計(jì)風(fēng)速區(qū)間的頻率；Ni為風(fēng)速落在第i個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間的數(shù)據(jù)量；N為風(fēng)速數(shù)據(jù)的總量。

功率保證系數(shù)K計(jì)算公式[6]：

表2 3臺(tái)風(fēng)機(jī)功率曲線保證率計(jì)算表

(7)

式中:K為單臺(tái)風(fēng)機(jī)的功率保證系數(shù)；m為統(tǒng)計(jì)區(qū)間個(gè)數(shù)；θi為第i個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間的頻率；Pi為第i個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間的平均功率；Pi′為設(shè)計(jì)階段廠家給定的對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)區(qū)間平均風(fēng)速的功率。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

按照功率保證值計(jì)算方法，得到3臺(tái)風(fēng)機(jī)功率曲線可靠性評(píng)估一系列參數(shù)，如表2所示。

由表2可知，本風(fēng)場(chǎng)內(nèi)具有代表性的3臺(tái)風(fēng)機(jī)的整體功率保證率K值均為大于100%，其中16號(hào)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率最優(yōu)，說(shuō)明風(fēng)機(jī)實(shí)際輸出功率曲線整體高于設(shè)計(jì)階段廠家提供的功率曲線。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)際功率曲線進(jìn)行擬合，并與設(shè)計(jì)階段廠家提供的功率曲線相比較來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)階段的理論功率曲線可靠性。得出的結(jié)論如下：

(1) 該風(fēng)電場(chǎng)選取的3臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)際功率曲線整體高于設(shè)計(jì)階段廠家提供的功率曲線，說(shuō)明設(shè)計(jì)階段廠家提供的風(fēng)機(jī)功率曲線可靠性較高，該風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀況良好。

(2) 風(fēng)機(jī)實(shí)際功率曲線在中低風(fēng)速段略高于廠家提供的功率曲線；在高風(fēng)速段略低于廠家提供的功率曲線。

(3) 3臺(tái)風(fēng)機(jī)功率曲線的整體保證值分別為105.4%、107.9%和123.7%，其中16號(hào)風(fēng)機(jī)實(shí)際功率曲線最優(yōu)，功率保證值為123.7%。