風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電能力評估優(yōu)化方法

張世磊

摘? 要：為了提高評估風(fēng)力發(fā)電機組（以下簡稱風(fēng)機）發(fā)電能力的準(zhǔn)確性以提高風(fēng)機的利用小時數(shù)，本文采用穩(wěn)定工況判斷和機頭微氣候環(huán)境溫度修正廠商擔(dān)保功率曲線建立風(fēng)機實際功率曲線模型，對1臺1500kW風(fēng)機的運行數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬計算，得出風(fēng)機在不同溫度區(qū)間的實際功率曲線和修正廠商擔(dān)保功率曲線的功率分布，計算風(fēng)機的功率絕對誤差和功率一致性系數(shù)，并給出風(fēng)機的運行優(yōu)化建議。結(jié)果表明：風(fēng)機機頭的微氣候環(huán)境溫度對風(fēng)機的功率影響較大，采用修正廠商擔(dān)保功率曲線、分溫度區(qū)間進行計算的方式能夠提高風(fēng)機發(fā)電能力評估的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組? 環(huán)境溫度? 功率曲線? 發(fā)電能力

中圖分類號：TM315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（a）-0037-06

Abstract：In order to improve the accuracy of evaluating the power generation capacity of wind turbine （hereinafter referred to as wind turbine） and improve the utilization hours of wind turbine， the actual power curve model of wind turbine is established by using stable condition judgment and microclimate environment temperature correction manufacturer guarantee power curve at the head of the fan， and the operation data of one 1500kW fan is calculated by numerical simulation， and the actual power curves of the fan at different temperature ranges and the power distribution of the modified manufacturer's guaranteed power curves are obtained. The absolute power error and power consistency coefficient of the fan are calculated， and the operation optimization suggestions of the fan are given. The results show that the microclimate environment temperature of the fan head has a great influence on the power of the fan， and the accuracy of the evaluation of the power generation capacity of the fan can be improved by modifying the guaranteed power curve of the manufacturer and calculating by temperature range.

Key Words：Wind turbine generator; Ambient temperature; Power curve; Power generation capacity

經(jīng)過近些年風(fēng)電項目的開發(fā)與發(fā)展，我國風(fēng)電裝機容量已經(jīng)十分巨大，風(fēng)電的迅猛發(fā)展無疑帶來了巨大的機遇，但同時也帶來了巨大挑戰(zhàn)，已建成風(fēng)電場實際運行和經(jīng)濟效益存在一定的問題。風(fēng)機發(fā)電能力評估是指對已經(jīng)投產(chǎn)運行風(fēng)機的功率曲線進行的系統(tǒng)、客觀的量化分析和評價。通過風(fēng)電能力評估，確定風(fēng)機目前運行的健康水平，為風(fēng)機后續(xù)的運行和檢修提供數(shù)據(jù)支持。風(fēng)機的發(fā)電能力直接影響發(fā)電量，進而影響風(fēng)電場的整體生產(chǎn)經(jīng)營指標(biāo)。風(fēng)機的運行實際功率曲線可以反映機組的實際發(fā)電能力與機位的微氣候條件，對機組運行和檢修具有重大意義。目前行業(yè)內(nèi)功率曲線的計算方法有：測風(fēng)塔數(shù)據(jù)外推法、樣板機法、機頭風(fēng)速法等，工程使用效果不太理想，均未考慮風(fēng)機機頭所在微氣候環(huán)境參數(shù)的影響，尤其冬夏溫差大和山地風(fēng)場更為明顯;如何利用風(fēng)機機頭微氣候環(huán)境溫度修正廠商擔(dān)保功率曲線并對風(fēng)機實際功率曲線進行建模，作為風(fēng)機發(fā)電能力計算的依據(jù)，則正是本文要研究的內(nèi)容。

本文以內(nèi)蒙某風(fēng)場1500kW風(fēng)機為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，對冬天和夏天兩種氣候環(huán)境下的實際功率曲線進行了數(shù)值研究，并對廠商擔(dān)保功率曲線修正前后的情況進行對比。

1? 基本信息

1.1 功率曲線

功率曲線指風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率和風(fēng)速的對應(yīng)曲線。描繪風(fēng)電機組功率輸出與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系圖和表。風(fēng)機在運行過程中，功率時刻隨著風(fēng)速的變化而變化。功率曲線作為反應(yīng)風(fēng)機性能的重要數(shù)據(jù)，已經(jīng)開始引起新能源發(fā)電行業(yè)的重視，功率曲線驗證作為一項新的課題，擺到了風(fēng)電技術(shù)人員面前。國內(nèi)的一些領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)開始從事功率曲線驗證的研究性工作，這將為風(fēng)機的參數(shù)校驗帶來科學(xué)的依據(jù)，會給風(fēng)電場的發(fā)電量帶來很大的提高。

目前國內(nèi)大部分風(fēng)機制造商提供的擔(dān)保功率曲線是通過設(shè)計仿真計算出來的標(biāo)準(zhǔn)空氣（大氣壓力為101.325kPa，溫度為0℃，相對濕度為50%）下的風(fēng)速功率關(guān)系曲線，但由于機頭微氣候環(huán)境溫度因素的影響，風(fēng)機在不同微氣候環(huán)境的擔(dān)保功率曲線會存在差異，因此需要進行修正。

1.2 風(fēng)機穩(wěn)定工況定義

因風(fēng)機的慣性較大，功率的變化不能實時響應(yīng)風(fēng)速，功率存在時滯性，將t時刻風(fēng)機穩(wěn)定工況定義為：[t-2min，t]時間之內(nèi)風(fēng)速Vmax-Vmin<2m/s且功率Pmax-Pmin<20%P容量，工況風(fēng)速V工況定義為：[t-1min，t]時間范圍內(nèi)風(fēng)速歷史數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值，工況功率P工況定義為：[t-1min，t] 時間范圍內(nèi)功率歷史數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值，工況溫度T工況定義為：[t-1min，t]時間范圍內(nèi)環(huán)境溫度歷史數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值。

1.3 空氣相對濕度對空氣密度的影響

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，在溫度范圍為：-20～100。C ，干空氣密度和飽和空氣密度的對比曲線如圖1所示。

圖1為空氣相對濕度為干空氣和飽和空氣下的空氣密度與溫度對應(yīng)關(guān)系，通過上圖可以看出，氣溫50。C? 以下，干空氣和飽和空氣的空氣密度偏差均小于0.05 kg/m3;氣溫40。C? 以下，干空氣和飽和空氣的空氣密度偏差均小于0.031 kg/m3;風(fēng)機運行環(huán)境的空氣溫度一般低于40℃，在該溫度范圍下，空氣相對濕度的影響較小，故本文研究忽略空氣濕度的影響（采用相對濕度為50%狀態(tài)下的數(shù)據(jù)）。

1.4 二維插值法

利用微氣候空氣密度和風(fēng)速結(jié)合擔(dān)保功率曲線，通過二維插值法計算風(fēng)機理論功率。

空氣密度插值：若當(dāng)前空氣密度不存在，則利用相鄰空氣密度曲線功率進行插值得出該空氣密度下的擔(dān)保功率曲線;若大于最大或者小于最小空氣密度則選用相應(yīng)最大最小理論功率。

風(fēng)速插值：基于該空氣密度下的擔(dān)保功率曲線，利用相鄰風(fēng)速進行插值得出該風(fēng)速下的理論功率。

2? 數(shù)學(xué)模型及計算方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 微氣候空氣密度模型

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氣溫40℃以下，干空氣密度與飽和空氣密度偏差均小于0.031kg/m3;風(fēng)機正常運行環(huán)境的氣溫低于40℃，在該溫度范圍下，本文研究忽略空氣濕度的影響。

相對濕度取標(biāo)準(zhǔn)空氣的相對濕度0.5，空氣密度計算公式可以簡化為：

式中，ρ為空氣密度，kg/m3;B為大氣壓力，Pa;t為氣溫，單位為℃。

根據(jù)大氣壓力與海拔高度的經(jīng)驗公式：

式中，H為海拔，m。

2.1.2 風(fēng)速修正模型

風(fēng)機機頭風(fēng)速由測風(fēng)儀測得，當(dāng)前風(fēng)機測風(fēng)儀分為兩種，一種是傳統(tǒng)風(fēng)杯測風(fēng)，另一種是激光裝置測風(fēng)。風(fēng)速儀安裝在風(fēng)輪后面，為做功后的風(fēng)速，功率曲線的風(fēng)速為做功前的風(fēng)速，為得出相對準(zhǔn)確的風(fēng)速數(shù)據(jù)，根據(jù)能量守恒近似計算風(fēng)輪前風(fēng)速，傳統(tǒng)風(fēng)杯測風(fēng)計算公式如下：

式中，Vf為風(fēng)輪前風(fēng)速，m/s;ρ為空氣密度，kg/m3;P為風(fēng)機功率，kW;V為當(dāng)前風(fēng)機風(fēng)杯測得的風(fēng)速;R為風(fēng)機風(fēng)輪半徑，m。

2.2 計算方法

2.2.1 修正廠商擔(dān)保功率曲線

廠商一般會給不同空氣密度下的擔(dān)保功率曲線數(shù)據(jù)，通過風(fēng)機機頭微氣候空氣密度利用插值法對擔(dān)保功率功率曲線進行修正，根據(jù)計算得到的微氣候空氣密度ρ尋找廠家提供的2條空氣密度相鄰的擔(dān)保功率曲線，滿足ρ1<ρ<ρ2，修正計算方法可表示為：

式中，ρ1，ρ2為空氣密度，kg/m3;P1，P2為擔(dān)保功率，kW;PL為修正擔(dān)保功率，kW。

2.2.2 計算機頭微氣候理論功率

對工況風(fēng)速通過公式（3）進行風(fēng)速修正，利用風(fēng)機工況溫度和機海拔通過公式（1）計算微氣候空氣密度，利用廠商擔(dān)保功率曲線和微氣候空氣密度通過公式（4）修正擔(dān)保功率曲線;基于修正擔(dān)保功率曲線進行功率插值計算得出機頭微氣候理論功率P理論。

2.2.3 建立風(fēng)機實際功率曲線數(shù)據(jù)模型

當(dāng)工況功率P工況在0.7P理論～1.3P理論之間，則認(rèn)為風(fēng)機處于非限功率正常發(fā)電狀態(tài)，數(shù)據(jù)判定為有效工況功率。

2.2.4 風(fēng)機發(fā)電能力評估

通過計算一段時間內(nèi)某個溫度范圍內(nèi)的實際功率曲線與廠商擔(dān)保功率曲線的偏差，評估風(fēng)電機組的發(fā)電能力。

在廠商擔(dān)保功率曲線的風(fēng)速點上，選取切入風(fēng)速和切出風(fēng)速區(qū)間以1m/s為步長的若干風(fēng)速點及各風(fēng)速點對應(yīng)的有效工況功率和微氣候理論功率，計算功率一致性系數(shù)和功率絕對誤差，以此評價風(fēng)機的發(fā)電能力。

功率絕對誤差：

功率一致性系數(shù)：

式中，PMAE為功率絕對誤差;為功率一致性系數(shù);P工況i為i風(fēng)速點有效工況功率，kW;P理論i為i風(fēng)速點微氣候理論功率風(fēng)速，kW;n為風(fēng)速點數(shù)量;V切入為風(fēng)機切入風(fēng)速，m/s;V切出為風(fēng)機切出風(fēng)速，m/s。

功率絕對誤差為負(fù)值表明風(fēng)機發(fā)電能力低于廠商擔(dān)保功率曲線，為正值表明風(fēng)機發(fā)電能力高出廠商擔(dān)保功率曲線;當(dāng)功率一致性系數(shù)低于規(guī)定值95%則表明風(fēng)機發(fā)電能力出現(xiàn)較大偏差，應(yīng)安排聯(lián)系技術(shù)人員及時進行巡檢。

3? 實例分析

選取內(nèi)蒙古某風(fēng)場1500kW風(fēng)機作為研究對象，分別抽取同一臺風(fēng)機2018年夏天7～8月和2018年冬天11月～2019年1月的歷史數(shù)據(jù)進行篩選預(yù)處理和計算，對同一風(fēng)速點附近的數(shù)據(jù)進行合并。該風(fēng)機的廠商擔(dān)保功率曲線為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.293kg/m3下的數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)空氣密度為大氣壓力101.325kPa、環(huán)境溫度溫度0℃、相對濕度50%條件下的空氣密度。

表1為2018.7.1-2018.8.31期間某風(fēng)機的運行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括廠商擔(dān)保功率、實際功率和平均環(huán)境溫度。

從圖2風(fēng)機夏天實際功率、廠商擔(dān)保功率和修正廠商擔(dān)保功率與風(fēng)速關(guān)系的模擬計算曲線，可以看出，由于夏天環(huán)境溫度（平均20.7℃）較高、風(fēng)功率密度較低，修正后擔(dān)保功率低于修正前，修正前功率絕對誤差為-52.65kW，功率一致性系數(shù)為89.84%，低于規(guī)定值95%;修正后功率絕對誤差為-3.07kW，風(fēng)機的功率絕對誤差明顯降低，功率一致性系數(shù)為95.55%，高于規(guī)定值95%，修正后風(fēng)機發(fā)電能力評估處于正常范圍，無需加強風(fēng)機的定檢和分析大部件的運行情況。通過修正前后對比可發(fā)現(xiàn)，夏天風(fēng)機的廠商擔(dān)保功率會下降，風(fēng)機的實際發(fā)電能力也偏低，若實際功率曲線在修正廠商擔(dān)保功率曲線和原廠商擔(dān)保功率之間則會存在誤判異常的情況。

表2為2018.11.1-2019.1.31期間某風(fēng)機的運行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括廠商擔(dān)保功率、實際功率和平均環(huán)境溫度。

從圖3風(fēng)機冬天實際功率、廠商擔(dān)保功率和修正廠商擔(dān)保功率與風(fēng)速關(guān)系的模擬計算曲線，可以看出，由于冬天溫度（平均溫度-7.1℃）較低、風(fēng)功率密度較高，修正后擔(dān)保功率高于修正前，修正前功率絕對誤差為-21.74kW，功率一致性系數(shù)為87.61%;修正后功率絕對誤差為-66.00kW，風(fēng)機的功率絕對誤差明顯增加，功率一致性系數(shù)為88.13%;修正前后風(fēng)機冬天功率一致性系數(shù)均低于規(guī)定值95%，均處于亞健康狀態(tài)，應(yīng)加強風(fēng)機的定檢和分析大部件的運行情況。通過修正前后對比可發(fā)現(xiàn)，冬天風(fēng)機的廠商擔(dān)保功率會上升，風(fēng)機的實際發(fā)電能力也偏高，若實際功率曲線在修正廠商擔(dān)保功率曲線和原廠商擔(dān)保功率之間則會存在誤判正常的情況。

4? 結(jié)語

本文對風(fēng)機引入穩(wěn)定工況的判斷、利用風(fēng)機機頭微氣候環(huán)境溫度修正廠商擔(dān)保功率曲線、并對機頭前風(fēng)速進行修正、對風(fēng)機實際功率曲線進行建模，得到提高評估風(fēng)機發(fā)電性能準(zhǔn)確性的方法。通過對機頭風(fēng)機發(fā)電能力評估模型建立和計算，可以得到以下結(jié)論：

（1）引入穩(wěn)定工況可以排除復(fù)雜風(fēng)況環(huán)境、調(diào)度限功率等條件下的影響，利用風(fēng)機機頭微氣候環(huán)境溫度參與計算可以達到消除空氣密度的影響。

（2）修正前后擔(dān)保功率偏差較大，影響風(fēng)機功率絕對誤差和功率一致性系數(shù)數(shù)據(jù)的計算結(jié)果。通過實例數(shù)據(jù)分析驗證，發(fā)電能力的評估效果較好，得到提高評估風(fēng)機發(fā)電能力準(zhǔn)確性的方法。

（3）本文的評估優(yōu)化方法能夠提高風(fēng)機發(fā)電能力評估的準(zhǔn)確性，對正確評估分析風(fēng)機發(fā)電能力、主動發(fā)現(xiàn)風(fēng)機的亞健康運行起到積極作用，更好的指導(dǎo)風(fēng)機運維和檢修，對于提高風(fēng)機的發(fā)電量和利用小時、挖掘風(fēng)機發(fā)電潛力、提升發(fā)電企業(yè)收益具有積極意義。

實際工程實踐過程中有些風(fēng)機廠商存在無法給出不同空氣密度下廠商擔(dān)保功率曲線的情況，會影響修正過程，最終影響評估風(fēng)機發(fā)電性能的準(zhǔn)確性。

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