研究影響風電機組實際運行功率曲線的相關因素分析

摘 要：近幾年來，風力發電逐漸受到人們的認可與接受，但由于風力發電會因為各種外界條件受到影響，因此，需要相關人員深入分析風電機組運行功率曲線相關性因素，確保風電場可以正常的發電。該文主要分析了風電機組在運行過程中影響功率曲線的主要因素，例如：采樣修正、環境條件、氣象條件、統計方式、風電機組的排列與對風偏差等，詳細闡述標準化功率曲線和實際運行的功率曲線之間存在偏差的主要原因，以防風電場的運營和質保交機過程中產生糾紛，進而提高風電場運營效率。

關鍵詞：風電機組 運行功率 曲線 氣象

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0088-03

目前風電機組使用的風能是處于自然的狀態下，其中風電機組實際運行的功率曲線指風電機組運行過程中，通過后臺軟件與機組控制儀器所產生的曲線。但由于風電機組功率曲線會因為機組自身的特性、外界溫度、葉片污染與氣壓等因素而受到影響，各風電機組周邊環境都存在差異，因此，導致各風電機組會形成不同功率曲線，甚至于同一風電機組形成的功率曲線也存在差別。這就需要相關研究人員深入分析影響與形成風電機組實際運行的功率曲線的因素，了解風電機組實際運行功率特性的因素，盡可能使機組處于正常運行狀態，進而加大風電機組出力。

1 標準的功率曲線

風電機組功率曲線主要指風電機組實際輸出功率會隨著風速的變化而發生變化，從而形成相關曲線。機組功率曲線可以反映出風電機組效率，而功率曲線好壞決定著風電機組經濟性。其中，標準的功率曲線在標準工況下，按照風電機組的設計參數來計算風速和有功功率相關性曲線，風電機組標準功率的曲線對應環境的條件為：空氣密度是1.23 kg/m3，溫度是15℃、一個標準的大氣壓。風電場實際工況和標準功率的曲線給定環境條件間差異比較大，在某種程度上，會導致實際運行的功率曲線和標準功率的曲線間存在差異[1]。

2 功率曲線作用

風電機組運行功率曲線能夠確定機組運行特點與功率特性，可有效評估機組發電效率與年實際發電量。風電機組中功率曲線屬于風力發電中一個重要的認證內容，可以衡量機組風能轉換的能力，能用來考核風電場的設備指標。風電機組整體參數的設計環節可通過功率曲線檢驗風輪的性能優劣，同時預測風電機組總體的性能。不僅如此，控制系統設計、發電機選擇與傳動系數效率都和功率曲線緊密相關，換句話說，風電機組運行的功率曲線是整個機組設計的前提，其能夠確定機組運行的主要參數，例如：額定的風速、切入的風速與切出風速等[2]。

3 環境條件與氣象對于風電機組中實際運行的功率曲線影響

3.1 雨滴影響

下雨時，葉片上雨滴會使氣流圍繞葉片流動的流動狀態發生改變，導致翼型空氣的特性產生變化。此外，當雨滴撞擊到葉片時，雨滴會因為離心力的作用向外飛出，致使風電機組的運行功率變小，產生損失，其最大損失高達20%[3]。

3.2 污染影響

如果風電機組風輪葉片受到漏油、沙塵與昆蟲等污染時，會使葉片表面粗糙度發生改變，導致翼型空氣的動力特性產生變化，從而降低了功率的輸出[4]。

3.3 海拔高度

隨著海拔高度的增加，上層空氣密度會降低，空氣大氣壓就會隨著變小。如果風電機組裝設于高海拔的地區，因為高海拔地區空氣密度比較低，風電機組輸出的功率就會變小，使風電機組實際運行功率曲線收到影響，圖1是Vestas600 kW變槳距的風電機組與定槳距的風電機組位于不同海拔出實際運行功率曲線。從定槳距的風電機組來看，海拔高度越高，風電機組運行功率曲線在同一風速條件下，發電功率會降低，超過滿負荷下發電的風速，功率降低情況比較明顯，從圖1（a）中可以看出；同一風速下滿負荷的發電功率會隨著溫度的上升而下降，如果滿負荷的發電風速值變大，中高風速階段就會受到影響；一旦超過滿負荷的發電風速，機組會采取收槳方式實施恒功率的控制，同時不會影響到功率曲線形成，具體從圖1（b）可以看出。

3.4 空氣濕度與溫度對于實際運行功率曲線的影響

當溫度升高空氣密度也會隨之降低，使同一風速小的風電機組實際出力變小。由于空氣中殘留著水蒸氣，使空氣中存在一定濕度，而濕度會影響到空氣的密度。通常潮濕空氣與干燥空氣相比，質量比較輕，因此，當空氣中水蒸氣上升，空氣的密度就會變小，機組出力隨之變小。如果風電機組裝設于低溫區域時，因為空氣的密度比較大，風電機組輸出功率就會隨著變大；相反裝設于高溫區域時，風電機組實際輸出功率就會變小。圖2中反映出Vestas600 kW變槳距的風電機組和定槳距的風電機組于不同溫度條件下輸出功率曲線，其中定槳距的失速機組會隨著溫度增加，導致風電機組實際功率輸出曲線在同一風速下發電功率減小，當大于或接近滿負荷的發電風速，輸出功率降低的情況比較明顯，從圖2（a）中可以看出。同一風速下滿負荷的發電功率會隨著溫度的上升而下降，如果滿負荷的發電風速值增大，中高風速階段就會受到影響；一旦超過滿負荷的發電風速，機組會采取收槳方式實施恒功率的控制，同時不會影響到功率曲線形成，具體從圖2（b）可以看出。

3.5 尾流對于風電機組的功率曲線影響

一般情況下，風電機組會吸收風中能量，當風流經風電機組以后，風速會減小。位于在風電場下游的風電機組風速降低速度比上游的風電機組小，兩風電機組間距離越小，前面風電機組會影響到后面的風電機組風速，該效應也叫作尾流的效應。尾流區風電機組因為來流速的損失，會導致機組實際輸出功率變小，因此在布置風電機組的過程中，要充分考慮風電機組的輸出功率受尾流影響的程度。串列式布置風電機組與斜列式布置的風電機組相比，容易受到尾流的影響，圖3是通過AV尾流方式計算風電機組中風輪功率輸出系數的曲線。

從圖3中可以看出，當x/D=等于4時，最大風輪的功率系數大約是不存在尾流影響時的45%；當x/D等于6時，最大風輪的功率系數大約是不存在尾流影響時的65%；當x/D等于8時，最大風輪的功率系數大約是不存在尾流影響時的75%；當x/D等于16時，最大風輪的功率系數大約是不存在尾流影響時的97%，基本是可以忽略尾流影響。圖4是某風電場風電機組實施串列式布置以后，上游的風電機組會影響下游的風電機組運行，風速在8～9 m/s間，機組間隔距離是500 m。

3.6 機型對于實際運行的功率曲線影響

3.6.1 變槳恒頻直驅的風電機組和變槳恒頻雙饋的風電機組

直驅的風電機組不存在運行轉速下限，就其設計原理來看，這種機組切入的風速還能更低，而且直驅風電機組不需要齒輪箱，不會存在齒輪箱能耗，當雙饋機組的工作同步運轉時，機組中轉子勵磁可以吸收電網能量，換句話說，永磁直驅不用勵磁，從而降低了能耗，可見，這種風電機組低風速階段的曲線比較好。此外，直驅的風電機組要全功率進行變頻，其使用全功率的變頻器，當功率比較高的時候，全功率變頻器耗能也比較大，而且變頻器功率元件能耗比雙饋的機組大，因為雙饋機組使用部分功率進行變頻，而不是全功率變頻。

3.6.2 變速變槳的恒頻和定槳失速的風電機組

定槳距一般指輪載和槳葉間的固定連接，槳距角大小不會發生改變，也就是當風速發生變化時，迎風角度固定不變。而失速指槳葉的翼型本身有失速的特性，風速超過額定風速時，氣流會增大至失速的條件，導致槳葉表面出現渦流，降低效率，機組功率輸出也會受到限制。因此當風速超過滿負荷的發電風速，風速繼續增加風電機組發電功率會變小。而變槳距一般安裝于葉輪葉片上，能通過控制葉片的方式改變槳距角大小，當輸出功率與額定功率等同時，相關調節系統會按照輸出功率變化自動調整槳距角大小。

4 結語

總而言之，因為機組功率曲線會因為形成條件與風電場風況等情況而受到影響，風電機在不同條件與工況下產生的運行功率曲線勢必會存在差異。即便性能比較好的風電機，若所處環境風況比較差，其形成功率曲線也會和理論值存在出入，使用風電機組實際運行的功率曲線來準確判斷出風電機的性能，難度比較大。加之，風電機組發展過程中還存在諸多缺陷，如：部分從業人員對風電機組的運行功率曲線不了解，甚至存在錯誤認識；風電機組驗收過程中缺乏完善檢測認證與標準的體系。這就需要對從業人員進行培訓與教育，提高從業人員專業能力，防止進行質保交機與運營時，出現不必要糾紛。

參考文獻

[1]梁小廣，宋高升，尹靖元.兆瓦級全功率風電并網變流器功率組件設計[J].電力自動化設備，2013，15（10）：21-27.

[2]周瑋，于芃，孫輝.風電有功波動功率調節控制研究[J].中國電機工程學報，2013，24（13）：85-91.

[3]孫文博，徐華利，付媛.應用于大型風電基地功率外送的多端直流輸電系統協調控制[J].電網技術，2013，13（6）：1596-1601.

[4]肖運啟，賀貫舉.大型風電機組限功率運行特性分析及其優化調度[J].電力系統自動化，2014，25（20）：18-25.