考慮冰凍氣候的山地風電場發(fā)電量精細化研究

申新賀，陳廣宇，姜婷婷，朱金奎

（浙江運達風電股份有限公司 浙江省風力發(fā)電技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州310012）

0 引言

風電作為一種可再生的清潔能源，已經(jīng)成為火電、水電之后的第三大能源形式。我國風能資源豐富，總量達2.53 億kW[1]，風電裝機容量處于全球領先，其中，南方山地風電場占國內(nèi)總裝機容量的20%左右[2]。然而南方山地風電場冬季的寒冷氣候很容易造成葉片和機艙測風儀器的結(jié)冰，影響風電機組運行[3]。

如何準確地評估結(jié)冰條件下風電場的發(fā)電量損失是當前風電場精細化設計開發(fā)的難題之一[4]。在前期設計階段，一般由完整年內(nèi)測風塔冰凍時長的占比來代替設計冰凍電量損失比例的取值，這種方法過于粗放。通過對風電場投產(chǎn)后實際數(shù)據(jù)的實證分析研究，理論上可以較為精確地確定冰凍導致的發(fā)電量損失比例（以下稱冰凍折減系數(shù)），但是冰凍發(fā)生時，測風塔和機艙風速風向儀往往會被凍住，數(shù)據(jù)可利用率低，增加了評估的難度。

近年來，行業(yè)內(nèi)開展了較多冰凍研究。陳棋設計了一種抗冰凍機型[5]。安利強研究了葉片覆冰對機組疲勞載荷的影響[6]。陳欣利用中尺度WRF模式研究了機組冰凍的影響[7]。楊帆利用實測數(shù)據(jù)研究了冰凍折減系數(shù)[8]。舒立春和YirticiO直接研究了冰凍對風電機組功率和電量損失的影響[9]，[10]?？傮w來看，以上研究有些側(cè)重于機械和載荷層面，有些則對損失電量的分析不夠精細化，難以對設計評估工作提供有效指導。

本文以浙江某山地風電場為研究對象，結(jié)合運行期間測風塔和SCADA數(shù)據(jù)，針對結(jié)冰條件下的風電場的發(fā)電量損失，從風頻、防冰凍設計、控制策略等角度進行了精細化分析，研究了前期設計冰凍電量損失與運行階段的實際冰凍電量損失的差異，總結(jié)了一套冰凍條件下的風電場損失電量計算和評估的精細化方法。

1 研究方法

本文研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線Fig.1 Technical route of research

首先統(tǒng)計測風塔的冰凍時刻，并求其在一年內(nèi)的占比，用以表征設計冰凍電量損失；然后利用計算模型模擬現(xiàn)場實際的冰凍時刻損失電量，并從風頻、防冰凍設計、控制策略等角度對損失電量進行了精細化分析；最后比較前期設計冰凍電量損失和現(xiàn)場實際的冰凍損失電量的差異，給出針對風電場設計階段風資源評估的指導方法。

1.1 測風數(shù)據(jù)冰凍時段判斷規(guī)則

根據(jù)最高層測風數(shù)據(jù)判斷測風塔冰凍時刻，并記錄時長，測風塔冰凍時刻由以下規(guī)則確定。

規(guī)則一：數(shù)據(jù)長時間靜止，且氣溫接近或低于0℃，相應時刻的風速、風向數(shù)據(jù)判定為冰凍。

規(guī)則二：上、下層風速相差超過2m/s，且氣溫接近或低于0℃，較低的風速量判定為冰凍。

判定依據(jù)有如下兩個方面。

第一，水在一個標準大氣壓下的凝固點為0℃，如此時數(shù)據(jù)長時間靜止，則考慮該時刻為冰凍時刻。

第二，由于山地風切變普遍較小，當氣溫接近0℃，如上、下兩層風速差反常，大于2m/s，則可考慮較低的風速量為冰凍，記錄該時刻為冰凍時刻。

用下式計算測風塔冰凍時長的占比，用以表征設計冰凍電量損失比例。

式中：ζm為設計冰凍電量損失比例；τ為測風塔冰凍時長；T為完整一年的時間，取365 d。

1.2 冰凍損失電量計算

首先，根據(jù)現(xiàn)場運維記錄，統(tǒng)計現(xiàn)場機組冰凍時刻。以第一臺機組進入冰凍故障為啟始時刻，直到最后一臺機組故障解除，這期間的時段均記為機組冰凍時刻，以免遺漏發(fā)生冰凍但由于傳感器的敏感度閾值問題而未報故障的冰凍事件。

理論電量仿真模型基于機艙功率數(shù)據(jù)和BIN法計算每臺機組冬季（11月-次年3月）平均功率擬合曲線，每個數(shù)據(jù)域?qū)挾葹?.5 m/s，第i個數(shù)據(jù)域內(nèi)的風速（vi）和功率（Pi）由下式計算得到。式中：vi，j為第i個風速數(shù)據(jù)域內(nèi)的第j個數(shù)據(jù)點；Pi，j為第i個功率數(shù)據(jù)域內(nèi)的第j個數(shù)據(jù)點；Ni為第i個數(shù)據(jù)域內(nèi)的數(shù)據(jù)點總數(shù)。

所以機組功率可由對應風速v和所處數(shù)據(jù)域i唯一確定。

可根據(jù)下式將5min功率轉(zhuǎn)換為發(fā)電量。

根據(jù)IEC 61400-12-1標準去除功率數(shù)據(jù)的離群異常值，之后還需對機艙測風數(shù)據(jù)進行合理性檢測，依照GB/T18709-2002規(guī)則，剔除不合理數(shù)據(jù)[11]。根據(jù)2.2.1 統(tǒng)計的現(xiàn)場機組冰凍時刻，結(jié)合機艙測風數(shù)據(jù)，代入式（4），（5），即可確定冰凍時刻的理論電量。

實發(fā)電量統(tǒng)計模型輸入現(xiàn)場機組冰凍時刻和對應的實際功率，可以確定冰凍時刻的實發(fā)電量，則冰凍損失電量Eloss為

式中：Epot為機組冰凍時刻的應發(fā)電量；Ereal為機組冰凍時刻的實發(fā)電量。

實際冰凍損失電量比例ζw為

式中：Etotal為全年發(fā)電量。

最后，比較分析ζm和ζw的差異。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 項目概況

該風電場為一南方山地項目，共23臺機組，機組平均海拔為1 545m，額定功率為1 500 kW，場內(nèi)立有一座測風塔（靠近8#機組），塔高為70 m，如圖2所示。

圖2 風電場衛(wèi)星圖Fig.2 Satellite image ofwind farm

風電場具體概況見表1。

表1 項目概況Table 1 Projectoverview

2.2 數(shù)據(jù)與資料

本文所需的數(shù)據(jù)與資料為2018年8月1日-2019年7月31日。

①測風塔的測風和溫度數(shù)據(jù)，時間分辨率為10min。

②風電機組的風速和功率數(shù)據(jù)，時間分辨率為5min。

③現(xiàn)場統(tǒng)計的發(fā)電量月報表。

④現(xiàn)場統(tǒng)計的機組冰凍故障記錄。

此外，該項目的機艙風速風向儀帶有加熱功能（圖3），在冬季具有較高的可利用率。

圖3 抗冰凍測風儀Fig.3 Anti-icing anemometer

3 結(jié)果分析

3.1 冰凍時刻統(tǒng)計

由于現(xiàn)場記錄的冰凍時刻是根據(jù)第一臺機組報冰凍故障到最后一臺機組故障解除來統(tǒng)計的，覆蓋整個風電場，故現(xiàn)場記錄的機組冰凍和測風塔冰凍的時段分布不完全一致。圖4為冰凍時段標記圖。

圖4 冰凍時段標記Fig.4 Freezing timemarkers

由圖4可以看出，根據(jù)測風數(shù)據(jù)判斷標記的冰凍時刻基本指出了現(xiàn)場實際記錄的規(guī)模較大的冰凍故障。其中8#機組與測風塔直線距離為110 m，高差10m，測風塔冰凍時段基本涵蓋8#機組的冰凍情況，至于2019年1月中旬以后的測風塔冰凍情形，8#機組并未相應出現(xiàn)冰凍，這是因為機組槳葉會旋轉(zhuǎn)，輕微冰凍可靠槳葉旋轉(zhuǎn)自動緩解，冰凍條件要比測風塔嚴苛。所以，利用上文判斷方法可以基本標記出現(xiàn)場的冰凍情形。

表2為兩種統(tǒng)計方式的冰凍總時長和占比，雖然現(xiàn)場是以“大風小功率故障”作為判別冰凍的依據(jù)，較保守，但因為是以第一臺機組報冰凍故障到最后一臺機組故障解除來統(tǒng)計的，故總時長和測風塔相比差別較小。其中，將測風塔冰凍時長占全年的比例看作前期設計冰凍電量損失比例，即3.89%。

表2 冰凍時長Table 2 Freezing duration

3.2 風速-功率散點

圖5為現(xiàn)場記錄每臺機組冰凍時刻的平均風速-功率散點圖，冰凍使得風速功率散點非常不規(guī)則。

圖5 現(xiàn)場記錄冰凍時刻風速-功率散點圖（bin法）Fig.5 Scatters ofwind speed and power at freezing time of on-site recordings（binmethod）

圖6為每臺機組冬季的平均風速-功率散點圖（剔除無效數(shù)據(jù)），機組運行良好。對比圖5和圖6，可以明顯看出，冰凍對于機組的出力影響非常大，尤其是13#～19#機組，當風速大于額定風速（10m/s）時，冰凍在等時間內(nèi)將造成更多的電量損失。

圖6 冬季全場平均風速-功率散點圖（bin法）Fig.6 Scatters of average wind speed and power in winter（binmethod）

3.3 損失電量精細化分析

發(fā)電量計算結(jié)果如表3所示。

表3 發(fā)電量計算結(jié)果Table 3 Power generation

在3.1 節(jié)中計算得到的前期的設計冰凍電量損失比例為3.89 %，實際的冰凍電量損失比例為2.59 %，只有設計冰凍電量損失比例的67%，而測風塔冰凍時長只比現(xiàn)場統(tǒng)計冰凍時長大3.6 %。這表明在前期評估時，如果只利用測風塔冰凍時間占比來估算冰凍電量損失，誤差會較大。

由于8#機組距離測風塔最近，兩者的風速相關性如圖7所示，相關系數(shù)為0.94。

圖7 測風塔風速-8#機組風速散點圖Fig.7 Scatter of the wind speed of themastand 8#wind turbine

由圖7可知，8#機組的風況可以表征測風塔的風況，測風塔冰凍時刻的風況可以借由8#風電機組的風況還原。表4為測風塔各階段的平均風速。由表4可以看出，測風塔冰凍期間風速相較冬季和全年風速都偏小，說明測風塔冰凍情況容易在小風時段發(fā)生。對于我國南方山地地區(qū)，特別是貴州、四川等地區(qū)的冬季平均風速要明顯低于云南地區(qū)，故這些地區(qū)更需要對冰凍損失電量進行精細化的評估[12]。

表4 測風塔平均風速Table 4 Average wind speed of themast m/s

在3.2 節(jié)中論述的冰凍情況下的風電機組控制策略采用的是“大風小功率故障”結(jié)合人工判斷停機的方法，難免造成操作滯后或錯誤判斷等問題，建議通過加裝溫度傳感器等方法實現(xiàn)自動控制。此外，在風電機組融冰時可以嘗試啟動，并根據(jù)不同的風速限制功率，此舉即考慮安全性又可以減少電量損失。

由圖4中的測風塔和8#風電機組的結(jié)冰周期分布可以看出，與測風設備相比，葉片的冰凍周期更短，小于氣象意義上的冰凍周期。所以一旦風速風向儀結(jié)冰，即使槳葉未結(jié)冰，機組出于安全性等多方考慮也只好被迫停機，造成電量損失。就本項目而言，與進行抗冰凍處理的測風塔相比，機組抗冰凍的風速風向儀在冬季（11月-次年3月）可以提高9.4%的可利用率，避免了機組因風速風向儀結(jié)冰而停機。

根據(jù)上述分析，前期的設計冰凍電量損失偏高可能有如下原因。

（1）用冰凍時間比例來代替設計冰凍電量損失比例，就默認了冰凍時刻的風速和全年平均風速處在同一水平，但事實上冰凍時刻風速遠遠小于全年平均風速，這勢必將造成冰凍電量損失的高估。

（2）對于測風塔來說，輕微的冰凍即可使測風塔上的風速儀結(jié)冰，致使將這段時間判定為冰凍時刻并代入冰凍損失計算。但這種輕微冰凍對風電機組葉片和發(fā)電量的影響比較小，葉輪的旋轉(zhuǎn)可以將薄冰甩下繼續(xù)運行。

（3）冰凍期間機組采用“大風小功率故障”結(jié)合人工判斷停機的方法，其滯后性會遺漏部分冰凍故障時間，輸入模型后導致模擬的損失電量偏低。

4 結(jié)論與討論

本文通過某山地風電場的實際運行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和模擬仿真的方法，對結(jié)冰氣候影響風電場發(fā)電量做了精細化分析，并給出了指導風電場設計階段的冰凍氣候評估方法，針對南方高濕低溫山地風場得到了如下結(jié)論。

①在風電場前期風資源評估階段，直接使用冰凍時間比例來代替冰凍折減系數(shù)將產(chǎn)生對冰凍電量損失的明顯高估。南方山地項目設計階段的冰凍電量損失應酌情取值，建議取測風塔冰凍時間的70%。

②測風塔和風電機組的冰凍更易發(fā)生在小風速時段。貴州、四川等冬季平均風速較小的地區(qū)更需要對冰凍電量損失進行精細化的評估。

③建議通過加裝溫度傳感器等方法實現(xiàn)冰凍時期風電機組的自動控制，并在融冰期間嘗試限制功率啟動，減少電量損失。