風電機組功率特性和載荷測試場地標定方法

焦渤，薛揚，李慶，秦世耀

(中國電力科學研究院新能源所，北京100192)

風電機組功率特性測試和載荷測試可以為發電商計算電量及風機制造商的設計提供有力的服務，使風電產業能夠進一步健康發展[1]。

然而，由于我國幅員遼闊，地形情況多種多樣，與歐洲廣大的平坦地形有較大的差別，在開展功率特性測試和載荷測試中，經常遇到測試場地的地形不符合IEC61400-12-1標準的情況，這極大地制約了這兩項測試工作的開展。根據IEC標準規定，如果場地不符合測試條件，則應進行場地標定。本文詳細介紹了場地標定的原理、方法并對某風場的場地標定數據進行了處理與分析，得到了最終的測試扇區。

1 場地標定方法

由于地形會對功率特性及載荷測試的結果產生一定影響，因此，在進行上述兩項測試之前，需要對測試場地進行場地評估。

IEC 61400-12-1中規定：如果地形滿足表1的要求，則不需要進行場地標定。如果地形特征超出表1所示最大傾角限值之外50%范圍內，應用氣流模型計算決定是否進行場地標定。氣流模型需要通過典型測試場地進行驗證。若氣流模型顯示測量扇區內當風速為10m/s時風速計位置的風速與風電機組輪轂位置的風速差異小于1%，則不需要進行場地標定。否則應進行場地標定。評估區域圖解，俯視圖如圖1所示。

表1 測試場地要求：地形變化

注：L為風電機組與測風塔之間的距離，L應在2~4倍風輪直徑之間，推薦2.5倍風輪直徑；*與扇區地形最吻合、并通過塔架基礎的平面的最大傾角；**連接塔架基礎和扇區內的每個地形點的直線的最大傾角。

圖1 評估區域圖解，俯視圖

場地標定可以量化并潛在地降低地形和障礙物對功率特性測試和載荷測試的影響。場地標定完成后可以得到測試地形的氣流校正系數α。

場地標定的具體做法是：在測試風電機組安裝前或風電機組移開后樹立2個測風塔，一個位于參考位置處，這個測風塔也可用于功率特性測試或載荷測試，另一個位于風電機組位置處。測試至少需要2支風速計，一個風向標和一個數據處理/記錄系統。實際測試過程中，風速計和風向標的數量也可適當增加。測風設備的安裝方式為：參考位置測風塔上安裝一支風速計和一個風向標，風機位置測風塔安裝一支風速計。參考位置測風塔的風速計測得的10min風速平均值為Vref,風機位置測風塔測得的10min風速平均值為Vwt。由此得到的氣流校正系數α：

在場地標定完成后，把風機位置的測風塔移走，根據氣流校正系數α及測風塔位置的風速Vref即可反推出風機位置的風速Vwt，該風速就是功率特性測試和載荷測試中所需的風速。

參考位置測風塔上的風速計和風向標可以用于功率特性測試或載荷測試，但要在同一次校準活動中進行校準。參考位置測風塔與風機位置測風塔高度應在風機輪轂高度的±2.5%范圍內。

2 數據的統計與處理

2.1 數據的統計

數據采集過程中，應定期觀察數據采集數量是否滿足要求。數據的統計采用區間分析法，即數據按風向分類，一般每10°為一個測量扇區，以10 min內的風速和風向數據平均值進行統計，并把風速按4~8 m/s和8~16 m/s2個風速區間劃分。

附件是某風場的場地標定測風數據，經過一段時間的測試，得到的標定結果圖2~4。

圖2 氣流校正系數散點圖

圖3 由區間分析法得到的氣流校正系數

圖4 按風向區間劃分的數據量

IEC標準認為，根據4~16m/s風速得到的氣流校正系數即可代表該風向區間內的地形特征。在之后的功率特性或載荷測試中，如果該風向區間內的風速小于4m/s或者大于16 m/s，仍然乘以該風向區間的氣流校正系數以得到風機位置的真實風速。此外還有幾點需要說明。

1）在IEC61400-12-1標準中規定，4～8 m/s和8~16m/s2個風速區間每個區間數據至少有36個(6 h)，且總的風速區間4~16m/s內，數據量至少達到144個(24 h)視為數據采集完畢。

2）扇區的起始角度可以不以0°開始，如-5°～5°，5°～15°……345°～355°也是可以的。

3）扇區范圍的開區間和閉區間可以互換，如（0°，10°]也可按[0°，10°）統計計算。

2.2 數據的處理

在數據處理分析過程中，需要考慮測試風電機組20倍風輪直徑內風電機組的數量、位置、風輪直徑及其他障礙物的位置，高度等，根據IEC61400-12-1計算出測試風電機組的可用扇區，再結合實際場地標定時，每個可用扇區內數據采集是否完畢，相鄰的兩個扇區氣流校正系數差別不大于0.02這2個條件，得到最終的可用于功率特性和載荷測試的可用扇區。

以該風場為例，只考慮測試風電機組與其他相鄰風機的相對位置，其可用扇區為：0°～60°，但在40°～50°風向區間內4～16m/s的數據量小于144，50°~60°風向區間內4~16m/s的數據量小于144，4~8m/s的數量小于36，且氣流校正系數改變量0.022 8>0.02，故區間內的數據予以剔出，最終測量扇區為：0°~40°。表2所示，為最終測量扇區內的氣流校正系數。

表2 最終測量扇區內的氣流校正系數

在接下來的功率特性和載荷測試中，只保留0°~40°扇區內的數據，其他風向的數據是無效數據，根據0°～40°內參考位置測風塔的風速數據及已經確定的氣流校正系數，即可得到可用于功率特性及載荷測試的風速。

3 總結

場地標定的目的是量化地形對于功率特性及載荷測試的影響，目前開展的并不廣泛，鑒于我國地形地貌十分復雜，且風電場業主及制造商對兩項測試的迫切需求，在未來場地標定必將會較大面積地開展，因此，如何進一步提高場地標定的準確度、規范場地標定的步驟是今后需要研究解決的問題。

[1] 薛揚，秦世耀，李慶.重視開發風電機組檢測技術[J].中國科技投資,2008(4):38-40.