雙饋風電機組實測與標準功率曲線偏差影響因素分析*

文 | 宮玉鵬，蘇麗營，趙海春，吳讓慧，李磊，李超峰

雙饋風電機組實測與標準功率曲線偏差影響因素分析*

文 | 宮玉鵬，蘇麗營，趙海春，吳讓慧，李磊，李超峰

風力發電因其具有系統安全性好、可靠性強、效率高及環保等獨特優勢，逐漸成為許多國家可持續發展戰略的重要組成部分和研究焦點。2011年中國(除港、澳、臺地區外)全年新增風電裝機容量17.63GW，中國風電市場在歷經多年的快速增長后正步入穩健發展期。全國累計裝機容量62.36GW，繼續保持全球風電裝機容量第一的地位。隨著風力發電在中國的快速發展，風電機組功率曲線測試的分析和研究工作也在逐步開展，相繼修訂了一些行業規范和國家測試標準。由于風電機組的設計研究工作處于起步階段，而且設計研究和性能測試處于分離狀態，所以導致行業內對減小標準和實測功率曲線誤差的研究工作進展緩慢。影響風電機組的實測和標準功率曲線偏差的原因很多，通過對測試數據和仿真數據的分析與研究，發現風電機組環境和風電機組控制策略對功率曲線偏差有影響，以下將對這些影響因素進行深入地研究和分析。

標準功率曲線與實測功率曲線

標準功率曲線是在標準工況下，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。標準功率曲線只是通過靜態的模擬計算獲得，未考慮其他可能影響到風電機組功率曲線的因素。

實測功率曲線是按照IEC 61400－12標準要求，通過采集風電機組的電壓、電流及測風塔的風速、氣壓、溫度等信號，通過相應的計算方式，按照標準要求的空氣密度1.225 kg/m3推算出的功率曲線。

環境對功率曲線偏差的影響

根據貝茲理論，風電機組從風能中吸收的功率p為∶

p －風電機組發電功率； ρ－空氣密度；A－風電機組葉輪掃掠面積； V－風速； Cp－風電機組的功率系數； α－槳距角；λ－葉尖速比（ωmR/V , ωm為葉輪轉速，R為葉輪轉動半徑）。

根據IEC 61400－12標準，空氣密度的計算方式為：

B10min－大氣壓力10min平均值； R0－干燥的氣體常數287.05J/(kg*k)； T－絕對溫度10min平均值

針對有功功率控制的風電機組，風速的規格化使用如下公式進行：

Vn－規格化的風速； V10min－測量風速10min平均值；ρ10min－測量空氣密度10min平均值；ρ0－標準空氣密度（1.225Kg/m3）

根據公式（1），（2），（3）可以得到如下功率計算公式：

根據公式(4)所示，隨著海拔高度的增加，氣壓在逐漸降低，風電機組的額定發電功率逐漸下降；隨著溫度的下降，風電機組的額定發電功率逐漸上升。圖1為相同型號的風電機組不同海拔高度的功率曲線，兩條實測功率曲線要明顯低于標準功率曲線，海拔越高實測功率曲線下降的越厲害；圖2為東北地區同一臺風電機組，由于冬季和夏季溫度差異的原因，冬季的功率曲線要比夏季的功率曲線好很多，而且更容易接近標準功率曲線。

風電機組控制方式對功率曲線偏差的影響

風電機組的功率控制方式對風電機組的功率曲線有著至關重要的影響，不但可以減小對風電機組塔架的影響，而且可以適當減小其他部件的疲勞載荷，并且會大大提升風電機組的功率曲線和功率系數。

圖1 海拔高度對功率曲線的影響

圖2 溫度對功率曲線的影響

根據雙饋電機模型，定子取發電機模式，轉子取電動機模式，公式如下：－定子坐標系定子電壓；Rs－定子坐標系定子電阻；－定子坐標系定子電流－定子坐標系定子磁通；－轉子坐標系轉子電壓；Rr－轉子坐標系轉子電阻；－轉子坐標系轉子電流；－轉子坐標系轉子磁通。

由于定子與轉子均在不同的坐標系下，所以要將公式（5）換算到同步旋轉坐標系下：

US－定子電壓；RS－定子電阻；iS－定子電流；φS－定子磁通；ω1－定子旋轉電角速度；Ur－定子電壓；Rr－轉子電阻；ir－轉子電流；φr－轉子磁通；ωr－轉子旋轉機械角速度。

根據d－p坐標變換，將定子電壓定在d軸，當定子連接電網，發電機的電磁轉矩為：

Te－發電機的電磁扭矩；np－發電機的極對數；Lm－發電機互感；Ls－發電機定子電感；im－發電機勵磁電流；idr－發電機轉子d軸電流。

根據風電機組轉矩平衡公式：

J為風電機組傳動鏈的轉動慣量。

風電機組的電磁扭矩Te的大小是由發電機的轉子d軸電流所決定的，而轉子d軸電流是由發電機的轉速差Δωr經過PID計算得到的。根據公式（9）可以看出，所有的項都是ωr的函數，說明ωr測量的準確性直接影響到風電機組的轉矩控制。由于自然界的風速是不停變化的，所以導致風電機組的轉速也隨著不停變化，這就給ωr的準確測量帶來很大的誤差，也就會導致產生電磁扭矩的誤差ΔTe。同時，由于風電機組是一個大慣性系統，轉速變化速度無法跟隨風速的變化速度，導致風電機組葉輪無法吸收到最大風能，勢必會產生輸入扭矩的誤差ΔT。所以由公式（9）可得，

圖3是一組在不同風速( v1 ＞ v2 ＞ v3 )下風電機組的輸出功率特性，popt曲線是各風速下最大輸出功率點的連線，即最佳功率曲線。

可以看出，由于機械轉矩與電磁轉矩的誤差ΔT’的存在，追蹤的“最優曲線”比理想的最佳曲線上下平移了ΔT’·ωr的偏差，如圖4所示。ΔT’·ωr＞0，機組跟蹤的是圖中的popt1曲線；ΔT’·ωr＜0，跟蹤的是popt2曲線。由于ΔT’·ωr存在，popt1或popt2都比較接近理想最佳曲線，但都不是最優功率曲線，獲得的最大風能追蹤控制效果與標準最佳功率曲線有一定偏差。

標準與實測的發電機電磁扭矩與轉速的關系曲線如圖5所示，可以看出標準數據和測試數據有較大偏差。由于控制器設計原因，無法保證風電機組在實際發電過程中嚴格按照設計最優值運行，必然將會導致標準功率曲線與實測功率曲線的偏差。

圖3 風電機組的最佳功率特性

圖4 最大風能追蹤誤差

圖5 發電機轉矩與轉速關系

通過對風電機組的測試數據進行分析，逐步降低ΔT’的絕對值，達到優化風電機組功率曲線的目的。如圖5所示，東北某風電場對1.5MW風電機組進行優化后，可以看出風電機組在小功率運行時優化效果比較明顯，基本接近標準功率曲線；當風電機組運行在額定功率時，優化測試曲線與標準功率曲線還是有較大偏差。轉矩偏差對功率曲線的影響見圖6。

結論

圖6 轉矩偏差對功率曲線的影響

由于風電機組的實際測試功率曲線受到風電機組環境和控制策略的影響，導致風電機組實際測試的功率曲線與標準功率曲線存在著很大的偏差。通過對兩個主要影響偏差的因素進行分析后可知，在實際運行過程中可以采取相應的手段，來減小偏差的存在。希望可以提供一些理解風電機組功率曲線偏差的思路，為以后改善實測功率曲線起到應有的作用，并為完善相應的測試標準和檢測評估體系提供一定指導。在后續研究工作中，在不斷減小功率曲線偏差的情況下，應利用仿真或者測試來評估減小偏差是否會對風電機組其它部件造成很大的影響，并且針對功率曲線的偏差，應該更深入的從空氣動力學、葉片翼型、變槳控制策略和功率控制策略等多個方面進行考慮。

(作者單位：華銳風電科技（集團）股份有限公司)

國家能源應用技術研究及工程示范項目（NY20110401-1）