風電機組功率特性測量不確定度的量級研究

何中一

（上海中認尚科新能源技術有限公司，上海 201206）

作為表征風電機組性能的重要指標，功率特性是通過對測試期間經過標準化后的有效數據按風速大小進行區間統計而得到的[1-2]。風電測量不確定度評估基于假設：功率測量結果可由一個以測量值為平均值、以標準測量不確定度為標準偏差的正態概率分布來描述其特征。

有關風電機組功率特性不確定度的研究尚不夠充分，文獻[3]針對風電功率預測準確度問題，研究了一種基于不確定度評定的風電功率預測誤差評估機制；文獻[4]對于風電場輸出功率的不確定度進行了研究，提出了風電概率密度預測方法。

在IEC 61400-12-1：2005[5]、GB/T 18451.2-2012[6]版功率特性測試標準的附錄中給出了功率曲線不確定度評估方法，但并沒有對引起功率測量不確定度的各種因素的影響程度按大小順序加以區分，也沒有分析合成不確定度的量級。

1 功率不確定度的構成

風電機組功率曲線的測量不確定度是按風速區間分別進行評估的，每個風速區間與平均功率Pi對應的合成不確定度uc，i由A類不確定度分量si和B類不確定度合成結果ui，以平方求和的方式導出。

si與區間樣本均值與各采樣值的差異的平方求和結果、樣本數量有關；ui由4種分量合成得到，其中風速測量引起的不確定度分量uV，i、氣溫測量引起的不確定度分量uT，i、氣壓測量引起的不確定度分量uB，i分別通過相應的靈敏度系數cV，i、cT，i、cB，i折算到功率不確定度，uP,i為功率測量裝置引起的不確定度分量。

本文主要研究任務是評估ui可能的量級范圍及其構成部分的相對影響大小。

2 功率測量引起的不確定度

uP，i包括4個不確定度分量，在功率特性測試標準附錄E的示例中，使用了0.5級的電流互感器和0.5級的功率變送器，功率測量量程為-50%Pr~+200%Pr。

若使用0.2級的電流互感器和0.2級的功率變送器直接測量風機發電功率，

3 風速測量引起的不確定度

風速測量引起的不確定度分量uV，i包括5個不確定度分量，cV，i與功率系數的關系為：

定義相鄰風速區間的功率系數比：

應用功率特性測試標準第9章表2中給出的數據，可得：

在附錄E的示例中，風速測量引起的不確定度分量uV，i按下式估算：

uV，i可簡化為：

風速測量對發電功率的不確定度貢獻為：

每個風速區間內cV，i＿sim×uV，i＿sim、cV，i×uV，i與區間平均風速的關系如圖1所示。風速測量引起的功率不確定度的峰值在中等風速區段出現，可達60kW，相當于被測風機額定功率的6%。

圖1 風速測量引起的功率不確定度

減小風速測量對發電功率的不確定度貢獻的途徑在于控制式（7），關鍵在于uV1，i、uV4，i，其次是uV2，i。選用高精度風杯式風速計可以顯著降低uV1，i至0.025m/s。uV4，i、uV2，i的大小受被測風機所在地形平坦程度的影響很大。本文研究的范圍為平坦地形下的功率曲線測量不確定度。將測風塔與被測風機的距離限制在2D~3D，可實現uV4，i低至2%Vi。某型號風杯式風速計在平坦地形下的分級系數低至0.9，而不是式（7）中的1.2。這樣可得到應用以上風速不確定度控制手段后，每個風速區間內cV，i＿sim×uV，i＿sim、cV，i×uV，i與區間平均風速的關系，如圖2所示。風速測量引起的功率不確定度的最小估計的峰值在中等風速區段出現，相當于被測風機額定功率的4%。

圖2 風速測量引起的功率不確定度的最小估計

4 溫度測量引起的不確定度

uT，i包括4個不確定度分量，并通過靈敏度系數cT，i折算到功率不確定度。

在附錄E的示例中，溫度測量對發電功率的不確定度貢獻為：

5 氣壓測量引起的不確定度

uB，i包括3個不確定度分量，并通過靈敏度系數cB，i折算到功率不確定度。

在附錄E的示例中，溫度測量對發電功率的不確定度貢獻為：

6 功率的B類合成不確定度

根據對4個B類不確定度分量相互獨立的假設，并對uV，i分別應用附錄E中的估計（圖1和圖2）的最小估計、應用式（1），得到的B類合成不確定度的標幺結果與區間平均風速的關系分別如圖3和圖4所示。圖中，合成不確定度相對于額定功率的百分比ui_calc_2/Pr繪制在次坐標軸上。與風速測量引起的功率不確定度相比，功率測量引起的不確定度、氣溫測量引起的功率不確定度、氣壓測量引起的功率不確定度相對較小。

圖3 功率曲線的B類合成不確定度

圖4 功率曲線的B類合成不確定度的最小估計

從4個B類不確定度分量得到B類合成不確定度的計算過程如圖5所示，其中uV,i分別應用了附錄E中的估計uV,i(1)和圖2中的最小估計uV,i(2)，顯示出減小風速測量引起的不確定度分量對于降低B類合成不確定度的意義，同時也可看出應用最先進的傳感器，并且在平坦地形下測試能夠得到的最小B類合成不確定度的量級。

功率測量的4個B類不確定度分量中，首先影響最大的是風速測量引起的不確定度分量，并且峰值出現在中等風速區段。其次是功率測量引起的不確定度分量，其峰值僅為風速測量引起的不確定度分量的1/10，溫度測量引起的不確定度分量在風機滿發時的峰值接近或略超功率測量引起的不確定度分量峰值，氣壓測量引起的不確定度分量最小。

7 結論

對風電機組功率測量的B類不確定度分量分別進行了評估，通過引入功率系數比，得到對功率測量影響最大的風速測量不確定度分量中、風速靈敏度系數的簡化估計方法。通過在平坦測試場地并使用高精度的風速傳感器，可將功率的B類合成不確定度峰值的標幺結果從6%降至4%。使用更高準確度等級的功率變送器和電流互感器，對于降低功率測量的B類合成不確定度的貢獻極為有限。