風電機組實際運行功率曲線影響因素分析

王明軍，高原生

（東方汽輪機有限公司風電事業部，德陽 618000）

0 引言

風電機組所利用的風能處于自然狀態，風電機組的實際運行功率曲線，即風電機組在運行過程中通過機組控制器和后臺軟件所形成的功率曲線。由于受到溫度、氣壓、葉片污染及機組自身特性等因素的影響，不同風電機組所處的自然環境不同。因此，從風電場實際看，不同風電場風電機組形成的功率曲線不同；同一風電場不同風電機組之間的功率曲線有差別；同一臺風電機組在不同時間所形成的功率曲線也不盡相同。

分析實際運行功率曲線的形成和影響因素，便于理解實際運行功率曲線與標準功率曲線之間的差異。了解影響風電機組功率特性的因數，有利于把風電機組調整到較好的工作狀態，以增加風電機組的出力。

1 標準功率曲線

所謂風電機組的功率曲線，一般是指風電機組輸出功率隨風速變化的關系曲線。風電機組的實際效率主要通過風電機組實際運行的功率曲線得到反映，實際功率曲線的好壞綜合反映了風電機組的經濟性。

標準功率曲線是在標準的工況下，根據風電機組設計參數計算給出的風速與有功功率的關系曲線。標準功率曲線所對應的環境條件是：溫度為15℃，1個標準大氣壓(1013.3hPa)，空氣密度為1.225kg/m3。

風電場的實際工況與標準功率曲線給定的環境條件之間存在很大的差異，這就決定了實際運行功率曲線與標準給定功率曲線的區別。

目前，研究風電機組葉輪的空氣動力問題有3種方法：理論計算、風洞試驗和風電場測試。

風洞試驗主要用于基礎研究和小型風電機組的性能測試，風電場測試主要用于大型風電機組的性能測試和應用研究。要研究和得到較為準確的反映兆瓦級風電機組的實際功率性能曲線，需要理論計算與風電場測試相結合[1]。

自然狀態的風，不受人為控制，其流動十分復雜，一般為湍流。人類對湍流進行了長達100多年的研究，雖然取得了不少進展，并解決了不少工程問題，但是由于湍流運行的極端復雜性，其基本機理至今仍未完全掌握，而且不能準確地定義并定量地給出湍流運動特性。這就給風電機組功率曲線的數字模擬帶來了困難。風電機組功率特性的理論計算還存在諸多局限，需要用風電場測試加以補充和完善[1]。因此，如果給出的標準功率曲線或當地風況功率曲線只是通過靜態的模擬計算獲得，由這種方法得到的功率曲線可能與風電機組的實際性能產生較大的偏差。

2 氣象和環境條件對風電機組實際運行功率曲線的影響

風電機組的功率特性除取決于風電機組的性能外，還取決于氣象環境條件以及風電機組在風電場中的排布等。

下面對風電機組功率曲線的影響因素進行分析。

2.1 海拔高度

海拔高度增加，空氣密度降低。海拔越高，空氣的大氣壓力就會隨之變小，如圖1所示。

當風電機組安裝在高海拔地區時，由于那里的空氣密度低，輸出功率減小，從而影響風電機組的功率曲線。圖2給出了Vestas 600kW變槳距風電機組和定槳距風電機組在不同海拔高度處的功率曲線。

對于定槳距失速風電機組，隨著海拔高度的增加，整個風電機組功率曲線在同樣風速下的發電功率降低，大于滿負荷發電風速，功率降低更為明顯，如圖2（a）所示[1]。

對于變槳距風電機組，隨著海拔高度的增加，在滿負荷發電功率前的所有風速段，相同風速下的功率都下降；滿負荷發電風速值增加，對中高風速段影響較為明顯；大于滿負荷發電風速時，風電機組通過收槳進行恒功率控制，不影響功率曲線的形成，如圖2（b）所示。

2.2 空氣溫度、濕度對功率曲線的影響

溫度升高會造成空氣密度的降低，如圖3所示，使得同樣風速下風電機組出力降低。空氣中還有水蒸氣，即空氣存在一定的濕度，濕度對空氣密度也有一定的影響。潮濕的空氣比干燥的空氣輕。因此，空氣中的水蒸氣增加，空氣密度會降低，風電機組出力降低[2]。

圖1 空氣密度隨海拔高度的變化

圖2 空氣密度對風電機組功率特性的影響[1]

當風電機組安裝在低溫地區時，由于空氣密度變大，輸出功率也隨著增大；反之，在高溫地區的風電機組其輸出功率減小。圖4給出了Vestas 600kW變槳距風電機組與定槳距風電機組在不同溫度下的功率輸出曲線。

對于定槳距失速風電機組，隨著溫度的增加，整個風電機組功率曲線在同樣風速下的發電功率降低，在接近和大于滿負荷發電風速時，功率降低更為明顯，如圖4（a）所示。

對于變槳距風電機組，隨著溫度的增加，在滿負荷發電功率前的所有風速段，相同風速下的功率都有所下降；滿負荷發電風速值增加，對中高風速段影響較為明顯；在大于滿負荷發電風速時，風電機組通過收槳進行恒功率控制，不功影響率曲線的形成，如圖4（b）所示[1]。

圖3 空氣密度與溫度的關系

圖4 溫度對風電機組功率特性的影響[1]

2.3 陣風的影響

接近地面的空氣層流動速度時小時大，形成“陣風”。陣風產生是空氣擾動的結果。陣風的風速一般要比平均風速大50%或更高。平均風速越大，地面越粗糙，陣風風速超過平均風速的百分比越大。一次陣風達到最大風速后，約1s～2s后風速就會小于平均風速的一半，然后陣風再出現另一次最大風速[1]。

對于變速風電機組來說，當輸出功率小于額定功率時，風電機組可以根據風速的大小調整發電機轉差率，使其葉輪的轉速達到最佳葉尖速比（λopt），優化輸出功率，從而提高風電機組的發電效率。

由于陣風的原因，風的變化速度較快，葉輪慣性很大，使得葉輪轉速不能緊跟風速的變化，從而偏離最佳葉尖速比，造成風電機組的效率降低，功率曲線變差。

2.4 雨滴的影響

在下雨時，一方面，葉片上的雨滴會改變氣流繞葉片的流動狀態，使翼型空氣動力特性發生變化；另一方面，雨滴撞擊在葉片上并在離心力作用下從里向外甩出，使風電機組功率減小，最大時損失的能量在20%以上，如圖5所示[1]。

2.5 污染的影響

當風電機組上的風輪葉片因沙塵、昆蟲和漏油等原因被污染時，會改變風輪葉片表面的粗糙度，使翼型空氣動力學特性發生變化，減小功率輸出。如圖6所示[1]。

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2.6 湍流對風電機組功率曲線的影響

湍流（紊流）是流體的一種流動狀態。空氣動力學中的湍流指的是短時間（一般少于10min）內的風速波動。湍流產生原因主要有兩個：當空氣流動時，由于地形差異（例如，山峰）與地表產生的“摩擦”；由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應空氣氣團垂直運動。這兩種運動往往相互關聯。

湍流強度是指風速隨機變化幅度的大小，定義為10min內標準偏差與平均風速的比值，即：

湍流強度是風電場的重要特性指標，它的計算、分析是風電場資源評估的重要內容。湍流對風電機組性能的不利影響主要是減少功率輸出，增加風電機組的疲勞載荷，最終削弱和破壞風電機組。IT值在0.1或以下表示湍流相對較小，中等程度湍流的IT值為0.1～0.25，更高的IT值表明湍流過大。對風電場而言，要求湍流強度IT值不超過0.25[3]。

圖5 雨滴對風電機組功率特性的影響[1]

圖6 污染對風電機組功率特性的影響[1]

湍流強度是描述風速隨時間和空間變化的程度，反映脈動風速的相對強度，是描述大氣湍流運動特性最重要的特征量。風電場風電機組的湍流可以由當地的地形條件產生，也可以由風電場風電機組之間相互影響產生。

圖7是湍流強度對變槳風電機組功率曲線的影響，如圖所示。湍流強度越大，風電機組的滿負荷發電風速越高，對功率曲線的影響越大。

2.7 尾流對風電機組功率曲線的影響

風電機組吸收風中的部分能量，使得風流過風電機組后，其速度有所下降。在實際風電場中，位于下游風電機組處的風速將低于位于上游風電機組的風速，風電機組之間的距離越近，前面的風電機組對后面風電機組的風速影響越大，這種現象叫尾流效應。

在風電場中，位于尾流區的風電機組由于來流速度損失使風電機組功率輸出減小。因此，在風電場布置風電機組時，必須考慮尾流對風電機組輸出功率的影響。風電機組呈串列布置受尾流影響比斜列布置要大。

風電機組串列布置是指下游風電機組風輪旋轉軸線與上游風電機組風輪旋轉軸線重合的情況。圖8是用AV尾流模型計算處在尾流區不同截面上的風電機組風輪功率系數曲線[1]。

由圖可知：

在x/D=6時，為65%左右；在x/D=8時，為75%左右；在x/D=16時，為97%左右，尾流影響基本可以忽略[1]。

圖9為現場實拍風電機組受尾流影響照片。上游風電機組對下游風電機組的影響不斷擴大，越是下游的風電機組其受影響程度越深。

圖10為某風電場的風電機組呈串列布置后，上游風電機組對下游風電機組功率的影響。西風（255°－285°），風速8m/s－9m/s，風電機組的間隔距離為500m。從圖中可以看出，由于尾流的影響,降低了風電機組的發電功率，從而減少了發電量，也影響了風電機組的功率曲線。

2.8 風電機組對風偏差對功率曲線的影響

圖11給出了不同風輪對風偏差角度的風輪功率系數曲線。由圖可知：有對風偏差角時，由于垂直于風輪的來流速度減小，使風輪功率系數減小，當對風偏差在±15°時，風輪功率系數約減小10%。對風偏差角越大，風輪功率系數減小越多[1]。

圖7 湍流對風電機組功率曲線的影響

圖8 串列布置時尾流區風電機組風輪功率系數[1]

為了提高風電機組的效率，需要進行跟風偏航。較小的對風偏差角度有利于提高風電機組的發電效率，但是由于風和風電機組的特點，只有在風輪與風向偏差較大時，風電機組才進行偏航。

一方面，由于風向可以在瞬間變化，風輪的慣性很大。因此，風電機組難以跟上風向的變化，在一定的風向偏差范圍內風電機組不進行偏航。也就是說，風電機組在一定的風向范圍內“以不變應萬變”；另一方面，大型風電機組為了避免頻繁偏航調向的交變載荷對結構疲勞強度的影響，通常在控制系統設計時，設定大于15°時，風電機組進行偏航對風[1]。

按照Repower廠家的控制系統偏航參數設置，在風速小于6m/s時，風電機組對風偏差不超過±16°，風電機組不進行偏航，機頭與風向的偏差角度在16°與25°之間，且時間超過120s，風電機組才執行對風偏航；當風速大于7m/s時，風向相對較為穩定，這時偏航的角度和時間設置較小。按照Repower廠家的參數設置，對風的偏差角度超過±8°，且時間超過60s，風電機組執行對風偏航。

實際風電機組偏航的頻繁程度，由風電機組所處風況以及控制器設置的參數決定。在低風速段且風電機組發電功率較小時，偏航電機耗電占發電功率的比例較高，偏航的頻繁程度也是影響風電機組實際運行功率曲線的一個重要因素。

因此，從風場的實際情況來看，風電機組不能跟上風向是絕對的，能對上風是相對的，風電機組的機頭方向與風向總會有一定的偏差。圖12是因對風偏差造成風電機組葉輪風能利用系數降低、效率下降的情況，影響風電機組的實際運行功率曲線。

2.9 機型對實際運行功率曲線的影響

風電機組的機型不同，在同等條件下，形成的風電機組實際運行功率曲線不同。

2.9.1 變速變槳恒頻與定槳失速風電機組

定槳距是指槳葉與輪載的連接是固定的，槳距角固定不變。即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性，當風速高于額定風速，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產生渦流，效率降低，限制發電機的功率輸出。因此，當風速大于滿負荷發電風速時，隨著風速的增加，風電機組的發電功率減小，如圖4（a）所示。

變槳距是指安裝在葉輪上的葉片可以通過控制改變其槳距角的大小。當發電機輸出功率達到額定功率以后，調節系統根據輸出功率的變化調整槳距角的大小，使發電機的輸出功率保持在額定功率。因此，風電機組在滿負荷發電風速以后，通過控制穩定風電機組的功率，風電機組的功率不會隨風速的變化而變化，如圖4（b）所示。

2.9.2 變槳恒頻直驅風電機組與變槳恒頻雙饋風電機組

直驅風電機組沒有運行轉速的下限，從原理上講，直驅風電機組的切入風速可以更低，沒有齒輪箱，消除了齒輪箱的耗能，雙饋機組工作于亞同步時，轉子勵磁需要從電網吸收少量的能量，永磁直驅不需要勵磁，減少了能耗。因此，一般情況下，直驅風電機組在低風速段功率曲線較好。直驅風電機組需要全功率變頻，所使用的是全功率變頻器，在功率較高時，變頻器的耗能較大，變頻器的功率原件與冷卻設備耗能比雙饋機組大得多，而雙饋機組采用的是部分功率變頻技術。一般情況下，在較高風速段到滿發風速之前，雙饋機組的功率特性較好。

2.10 形成功率曲線的環節造成功率曲線差異

實際功率曲線要受到很多外界因素和條件的影響。因此，IEC 61400－12－1: 2005 《Wind turbine generator systems－Part 12: Wind turbine power performance testing》對風電機組功率特性的測試條件作了詳盡的規定和限制。

圖9 實拍風電機組尾流場景

圖10 上游風電機組尾流對下游風電機組的影響

圖11 不同風輪對風偏差角度的風輪功率系數曲線[1]

圖12 對風偏差角度與風電機組的效率

圖13 風電機組功率特性測試的散點分布圖[4]

為了避免氣流畸變對測試的影響，在進行測試之前，就要對測試場地的氣流畸變情況進行評估，以便確定氣象架的安裝位置、測風扇區，估算風速、測量扇區、氣流畸變系數和畸變造成的誤差；尤其要考慮地形的變化、其他風電機組、障礙物的影響。對測試設備、數據采樣、數據預處理、篩選、數據回歸等也作了規定；同時，還必須考慮測試場地的空氣密度、降雨、風電機組的運行狀態等[4]。

根據長時間的統計數據，得到如圖13散點分布圖，形成了風電機組的功率曲線。

如果以上任何一個環節有所不同或出現偏差，都會使形成的實際功率曲線不同。因此，不同的測評和檢驗公司，其實際功率曲線驗證的結果可能存在一定的差別。由于風況隨時都在變化，同一測評公司在不同的時間對同一地點的同一臺標準樣機進行測試，其測試結果也不會完全相同。

2.11 風電機組功率特性的測試要求

實際運行功率曲線數據是一個統計數據，形成風電機組功率曲線需要以大量的數據為基礎，如圖13所示。在通常情況下，形成的實際運行功率曲線的時間越長，越能反映風電機組的實際性能，得到的功率曲線越準確。

GB/T1845.2－2003和GB/T18709－2002規定，在進行風電場風能資源評估以及進行風電機組功率特性試驗時，風速儀和其他測風設備需要滿足一定的技術要求。

GB/T18709－2002《風電場風能資源測量方法》規定，風電場風能資源測量時，測量數據的采集應滿足連續性和完整性的要求。現場測量應連續進行，不應少于1年；現場采集的測量數據完整率應達到98%以上。采集數據的時間間隔不宜超過1個月[5]。這樣，有利于消除當地氣溫、大氣壓、空氣密度等對風電機組測試的影響，形成在當地環境條件下較為完整的功率曲線。

3 結論

由于風電機組的實際運行功率曲線受到風電場的風況和形成條件的影響，風電機組在不同工況和條件下形成的功率曲線必然不同。一臺性能優異的風電機組，在風況較差的條件下，形成的功率曲線完全有可能達不到其理論值，或發電量低于其他同種類型風電機組。

因此，在條件沒有嚴格限定并考慮到多種影響因素的條件下，風電機組自身形成的實際運行功率曲線很難作為準確判斷風電機組性能的依據。

如果要對風電機組的功率特性進行評估和測定，需結合風電場的實際情況，并考慮到風電機組功率曲線的多種影響因素，方能使測試的偏差較小，使其能真實地反映風電機組的性能。

風電的快速發展帶來了一系列問題。不少的從業人員在風電機組功率特性曲線的認知方面存在諸多誤解，在風電機組的驗收方面，缺乏完善的標準體系和檢測認證體系。因此，在風電場的運營和質保交機時，產生了許多不必要的糾紛，希望本文能提供一些理解風電機組功率曲線的思路。

[1] 賀德馨,等.風工程與空氣動力學[M].北京: 國防工業出版社,2006.

[2] 何顯富,盧霞,楊躍進,劉萬琨.風電機組設計、制造與運行[M].北京:化學工業出版社, 2009.

[3] 葉杭冶,等.風力發電系統的設計、運行與維護[M].北京: 電子工業出版社,2010.

[4] 風電機組功率特性試驗標準[S].IEC61400-12-1.2005

[5] 姚興佳,等.風力發電與測試技術[M].北京: 電子工業出版社,2011.