風(fēng)電機組實際運行功率特性復(fù)雜性分析

文|王明軍，莫爾兵

攝影：苑春陽

目前，實際運行功率曲線考核風(fēng)電機組性能受到業(yè)內(nèi)人士的過度重視。國內(nèi)大部分整機制造商都是通過的設(shè)計評估或設(shè)計認證，在認證時并未對風(fēng)電機組功率曲線進行測試。因此，大部分制造商提供的擔保功率曲線是通過設(shè)計仿真計算出來的理論功率曲線（靜態(tài)功率曲線），但由于現(xiàn)場風(fēng)況、傳動鏈阻尼、系統(tǒng)測風(fēng)等因素的影響，風(fēng)電機組的實際功率曲線與理論曲線會存在差異。

實際運行功率曲線的外界影響因素很多，也極其復(fù)雜。因此，風(fēng)電機組實際運行得到的功率曲線很難準確反映機組的出廠性能。也就是說，從一定程度上講，風(fēng)電機組實際運行功率曲線與出廠性能之間的相關(guān)性較差。另一方面，風(fēng)電機組的實際運行功率曲線，因其可以反映機組的實際運行狀態(tài)與機位的風(fēng)況條件，對判斷和處理機組故障十分有利。然而，業(yè)內(nèi)人士對此卻普遍關(guān)心較少。

風(fēng)電機組的靜態(tài)與動態(tài)功率曲線

功率曲線是風(fēng)電機組的重要運行性能的表現(xiàn)形式。所謂功率曲線就是以風(fēng)速(vi)為橫坐標，以有功功率Pi為縱坐標的的一系列規(guī)格化數(shù)據(jù)對(vi,Pi)所描述的特性曲線。

標準功率曲線是在標準工況下，根據(jù)風(fēng)電機組設(shè)計參數(shù)計算給出的風(fēng)速與有功功率的關(guān)系曲線。標準功率曲線所對應(yīng)的環(huán)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(tài)的模擬計算獲得，而未考慮其他可能影響到風(fēng)電機組功率曲線的因素，如圖1 所示。

在標準空氣密度（ρ=1.225kg/m3）的條件下，風(fēng)電機組的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線稱為該風(fēng)電機組的標準功率曲線。

圖1 1.5MW風(fēng)電機組靜態(tài)功率曲線

靜態(tài)功率曲線忽略了風(fēng)的湍流特性，是理想情況下的機組出力性能。在對風(fēng)電機組進行仿真時還需要考慮控制策略的作用,以反映機組的實際運行狀態(tài),如變速變槳機組需要通過改變槳距角來控制輸出功率的大小，在快達到滿負荷與滿負荷之間有明顯的拐點，如圖1 所示。靜態(tài)功率曲線是在風(fēng)速恒定條件下得到的風(fēng)電機組可以產(chǎn)生的電功率,但實際風(fēng)速是不停地變化的。

動態(tài)功率曲線是考慮風(fēng)的湍流特性而繪制的功率與風(fēng)速關(guān)系曲線,每種風(fēng)速下的功率是一定時間內(nèi)的功率平均值。動態(tài)功率曲線在達到額定功率之前更平滑,無明顯拐點，如圖2 所示，顯然更符合機組平緩運行的實際情況。因此，風(fēng)電機組動態(tài)功率曲線的滿負荷發(fā)電風(fēng)速高于靜態(tài)功率曲線的滿負荷發(fā)電風(fēng)速。

風(fēng)電機組實際運行功率曲線的考核

一、評估風(fēng)電機組運行功率曲線的長期性和復(fù)雜性

受外部環(huán)境和控制策略的影響，風(fēng)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。

功率曲線是由機組發(fā)電功率與風(fēng)速一一對應(yīng)而形成的特性曲線。因風(fēng)電機組葉輪質(zhì)量較大，監(jiān)控系統(tǒng)上顯示的瞬時風(fēng)速和風(fēng)電功率不一致的情況會經(jīng)常出現(xiàn)，且風(fēng)況變化的隨機性很大。從實踐來講，風(fēng)速點的數(shù)據(jù)量過少，不具有評估價值。在短時間內(nèi)，機組不能形成較為完整、準確的功率曲線。風(fēng)電機組實際運行功率曲線的形成需要一個較長的時間過程，因此，評價功率曲線一定要使用長期數(shù)據(jù)。同時，現(xiàn)場的功率曲線調(diào)整后所需的驗證時間較長。

圖2 1.5MW風(fēng)電機組動態(tài)功率曲線

根據(jù)國家標準GB/T18709－2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法》和GB/T18710－2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》制定的《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量和評估技術(shù)規(guī)定》(發(fā)改能源[2003]1403 號)中要求：“現(xiàn)場測量收集數(shù)據(jù)應(yīng)至少連續(xù)進行一年，并保證采集的有效數(shù)據(jù)完整率達到90%以上”。這就是說，在獲得風(fēng)電機組的實際運行功率曲線時，不僅要考察每臺機位的湍流強度等風(fēng)況條件和地形條件，功率曲線形成的時間長短、數(shù)據(jù)的完整性，還需考慮有效數(shù)據(jù)完整率。例如：風(fēng)電場限電后所生成的功率曲線數(shù)據(jù)，不能稱之為有效數(shù)據(jù)；受到干擾和影響的數(shù)據(jù)因不能反映風(fēng)電機組的真實性能，不能計入風(fēng)電機組實際運行功率曲線的形成和統(tǒng)計之中。

風(fēng)電機組運行功率曲線是通過散點分布圖繪制而成。從嚴格意義上講，功率曲線是測不準的，因為機組的實測功率曲線很離散且范圍較寬。由圖3 可知，在滿負荷風(fēng)速以下的風(fēng)速段，不僅同一風(fēng)速機組功率的最大值和與最小值之間的偏差巨大，而且功率平均值也處在一個很寬的范圍。由于功率曲線散點分布的離散性，同一風(fēng)電機組在不同時間的實際運行功率曲線一定是不同的。在其他條件完全相同的情況下，因主控的不同（包括主控參數(shù)，主控硬件，軟件等）會造成功率曲線的不同。

由于風(fēng)電機組的實際運行功率曲線受到風(fēng)電場的風(fēng)況和形成條件的影響，風(fēng)電機組在不同風(fēng)況和條件下形成的功率曲線是不同的。一臺性能優(yōu)異的風(fēng)電機組，在風(fēng)況較差的條件下，形成的功率曲線完全可能達不到其理論值，發(fā)電量低于其他同類型風(fēng)電機組。

所以，我們在通過實際運行功率曲線考察風(fēng)電機組性能時，應(yīng)當考慮影響功率曲線的多種因素，并對環(huán)境、障礙物等影響因素給以嚴格的限制條件。根據(jù)負載的性質(zhì)，負載的大小以及風(fēng)電機組安裝現(xiàn)場的風(fēng)速、風(fēng)向、地形等情況的不同，風(fēng)電機組的功率曲線是一組而不是一條。也就是說，同一風(fēng)電機組會因條件（如：時間、季節(jié)、位置、限負荷等）的改變形成一系列不同的功率曲線。

圖3 風(fēng)電機組功率特性測試的散點分布圖

二、采用61400-12標準考核風(fēng)電機組功率曲線所存在的問題

隨著中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，裝機總量突飛猛進，越來越多的業(yè)主開始對風(fēng)電機組功率特性進行測試。風(fēng)電機組功率特性測試一般按照IEC61400－12－1 進行。

風(fēng)電機組的功率特性主要體現(xiàn)在機組的功率曲線、年發(fā)電量及功率系數(shù)。影響風(fēng)電機組功率特性的主要外界因素有地形、空氣密度、大氣壓強及風(fēng)況等。進行功率特性測試應(yīng)收集足夠數(shù)量且覆蓋一定風(fēng)速范圍和大氣條件變化的數(shù)據(jù)，以精確地確定風(fēng)電機組的功率輸出特性。

（一）采用IEC61400－12 評估實際運行功率曲線的難點

IEC61400－12標準規(guī)定了功率曲線的測量評估方法。有如下要求：

（1）風(fēng)速、電功率傳感器應(yīng)具有一定的采樣頻率和測量精度。

（2）要求對機位的地形條件進行評估，排除地形、障礙物對風(fēng)電機組出力的影響。

（3）要求搭建標準的測風(fēng)塔來測量風(fēng)電機組的來流風(fēng)速，并對測風(fēng)塔測量的扇區(qū)進行規(guī)定，即保證測風(fēng)塔測出的是被測機組的來流風(fēng)速，而不是尾流。

（4）要求在計算平均風(fēng)速時，考慮空氣密度對風(fēng)能的影響，要求進行風(fēng)速修正，即修正到標準空氣密度。

（5）評估方法是按照10mins 的統(tǒng)計平均值來進行，即計算風(fēng)電機組正常運行的每個10mins 時間段內(nèi)的平均風(fēng)速、平均功率，再按照所有的10mins 平均風(fēng)速大小來排列分類，按照0.5m/s 區(qū)分1 個區(qū)間。最后在每個區(qū)間內(nèi)再計算平均風(fēng)速、平均功率，以此作為功率曲線的數(shù)據(jù)點。

（6）要求在每個0.5m/s 內(nèi)測到的10mins 平均風(fēng)速、功率數(shù)據(jù)，應(yīng)超過規(guī)定的數(shù)據(jù)量。

（7）要求對測量的不確定度進行評估。

由以上的規(guī)定條件和測定要求可知，功率曲線現(xiàn)場測試是相當復(fù)雜的。雖然，實際風(fēng)電機組監(jiān)控系統(tǒng)功率曲線的繪制方法是根據(jù)相應(yīng)的國際標準進行，但風(fēng)速、電功率采用的是機組自身的傳感器，其測量精度難以達到IEC61400－12中相關(guān)標準的要求；沒有排除地形、障礙物對功率曲線測量的影響；也沒有對空氣密度進行準確地修正。因此，風(fēng)電場機組所形成的功率曲線難以準確反映風(fēng)電機組的實際性能。

（二）采用IEC61400－12－1 標準評估實際運行功率曲線實際操作存在的問題

依據(jù)IEC61400－12－1 進行風(fēng)電機組功率特性測試，可以較為準確地評估出機組的運行狀態(tài)估算出年發(fā)電量，通過進一步分析可以發(fā)現(xiàn)機組存在的問題。但通過對風(fēng)電機組功率曲線實際測試過程的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)以下幾點問題：

（1）依據(jù)IEC 標準進行功率特性測試雖然準確地評估出單臺機組的運行狀態(tài)，但耗費了大量的人力物力及時間，如何準確、快速、低成本地測試風(fēng)電場所有機組的性能是一個亟待解決的問題。

（2）IEC 標準采用10mins 內(nèi)的平均風(fēng)速，但是在額定風(fēng)速處曲線較為平滑，相對準確地確定額定風(fēng)速存在一定難度。

（3）IEC 標準在估算年發(fā)電量時采用的是瑞利分布，若采用風(fēng)電場實測數(shù)據(jù)進行威布爾曲線擬合，此時估算的年發(fā)電量或為更加準確。

（4）國內(nèi)風(fēng)電場的地形普遍比較復(fù)雜，對于已投產(chǎn)后的風(fēng)電機組如何進行場地標定是需要研究解決的問題。

（三）采用IEC61400－12－2 標準評估風(fēng)電機組運行功率曲線所存在的問題

在接近滿負荷發(fā)電時，湍流強度對機組功率曲線影響較大，如圖4 所示。因此，IEC61400－12－2 標準特別闡述了湍流強度對功率曲線的影響。湍流導(dǎo)致風(fēng)電機組在低風(fēng)速段的實際功率曲線優(yōu)于靜態(tài)功率曲線；在高風(fēng)速段，特別是額定風(fēng)速段，實際的湍流功率曲線比靜態(tài)功率曲線差。機組實際功率曲線的滿負荷發(fā)電風(fēng)速遠高于靜態(tài)功率曲線上的滿負荷風(fēng)速，如圖1 和圖2 所示。

風(fēng)電場的瞬時風(fēng)速與瞬時風(fēng)能是不斷變化的，而風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。因此，當采用一段時間內(nèi)的平均風(fēng)速和平均風(fēng)能相對應(yīng)時，其結(jié)果為：相對應(yīng)的風(fēng)速、風(fēng)能與風(fēng)電場實際情況是不一致的，后者高于前者。由此，在低風(fēng)速段，動態(tài)功率曲線優(yōu)于靜態(tài)功率曲線。

但是，在高風(fēng)速段，由于風(fēng)電機組有額定功率的限制，控制系統(tǒng)使機組一直保持在額度功率附近不超過允許值，最終導(dǎo)致高風(fēng)速時的能量被損耗掉了。因此，在高風(fēng)速段，由于湍流的影響，動態(tài)風(fēng)速下超過額定電功率的部分被削峰了，而低于額定電功率的部分又缺乏有效手段填平。因此，實際動態(tài)功率曲線在接近滿負荷風(fēng)速段低于靜態(tài)功率曲線，如要求其完全滿足靜態(tài)功率曲線是不科學(xué)的。

圖4 湍流對風(fēng)電機組功率曲線的影響

IEC61400－12－2 標準推薦了一種技術(shù)方案：通過動態(tài)湍流功率曲線來推導(dǎo)靜態(tài)功率曲線。但該方案有一些假設(shè)，如：假設(shè)無論風(fēng)速如何快速變化，風(fēng)電機組的實際運行狀態(tài)都能夠快速變化并以最佳狀態(tài)運行。然而，葉輪及機艙的質(zhì)量很大，因其慣性的作用，在實際上是不可能達到的；另一個假定，時域內(nèi)的動態(tài)風(fēng)速轉(zhuǎn)化到頻域內(nèi)是符合正態(tài)分布的，其正態(tài)分布函數(shù)就是平均風(fēng)速和湍流強度。由此可見，該標準僅提供了評估風(fēng)電場眾多機組功率特性的一種思路和方法，對風(fēng)電場機組實際運行功率曲線的技術(shù)評估具有一定的參考價值，但實用性不大。

因此，某些整機生產(chǎn)廠家在投標書中不提供機組的靜態(tài)功率曲線，而只提供機組在不同湍流強度下的動態(tài)功率曲線，這樣，考核功率曲線更接近于機組的實際運行功率曲線，從而有利于功率曲線的考核。

功率曲線考核帶來的隱憂

由于風(fēng)電場實測機組功率曲線的復(fù)雜性、某些功率曲線考核的合同條款嚴重脫離風(fēng)電機組的運行實況以及業(yè)內(nèi)人士對功率曲線認知上的偏差，風(fēng)電機組形成的實際運行功率曲線失去了應(yīng)有的價值和作用。

即使性能完全相同的風(fēng)電機組，在不同環(huán)境條件下，風(fēng)電場實測功率曲線的偏差值，超過10%也是很正常的。實際運行功率曲線因湍流、尾流、地面粗糙度等多種因素的影響，在達到滿負荷發(fā)電風(fēng)速之前，同種風(fēng)速的發(fā)電功率會有偏差，與合同要求不符，而這本應(yīng)屬于正?，F(xiàn)象。

如果對同一風(fēng)電場同種機型的一批機組長期運行的有效數(shù)據(jù)（主控的功率曲線相關(guān)參數(shù)設(shè)置正確，數(shù)據(jù)采樣、篩選合理，軟件形成符合規(guī)范等），且形成正常的一系列功率曲線進行綜合分析和考察，將對考察這些機組實際效率有一定的參考價值。還可以通過同一機組在不同時期形成功率曲線之間的差異，判斷機組故障，或風(fēng)況變化。

但是，業(yè)內(nèi)人士對功率曲線存在認知上的偏差，無論在何種地理位置和風(fēng)況條件下均要求風(fēng)電場機組所形成功率曲線上每一風(fēng)速點的發(fā)電功率都不應(yīng)低于合同保證值的95%。更有甚者，要求機組在幾天或一個月內(nèi)所形成的功率曲線也要在合同保證值以上。例如：在機組過240 預(yù)驗收時，要求每臺機組的實際運行功率曲線均要達到合同保證值，這顯然違背了風(fēng)電機組運行的基本規(guī)律。這樣的要求，不僅使功率曲線的數(shù)據(jù)量極其龐大，而且，不造假是難以達到上述要求的。

為了讓每臺機組在短時間內(nèi)均能形成相當“漂亮”的功率曲線，整機商只得采取適當?shù)氖侄问箼C組在短時間內(nèi)形成的功率曲線“相當好”，且每臺機組、在每個風(fēng)速段上機組的發(fā)電功率都達到，或超過合同要求，否則，整機廠商就要賠發(fā)電量、被扣款。殊不知，這樣形成的功率曲線是不可能反映該機位的氣象條件、地理條件和實際機組運行狀況的，從而導(dǎo)致生成的功率曲線失去了其應(yīng)有價值和實際意義。

因準確考核機組的實際運行功率曲線極其困難且復(fù)雜，且實測數(shù)據(jù)可能嚴重偏離其理論計算值。因業(yè)主對功率曲線的苛求，有的生產(chǎn)廠家為了使機組在投標中取勝，不僅機組實際生成的功率曲線折算出來的功率系數(shù)遠高于理論最高值0.593，而且，給出的標準功率曲線，在不少風(fēng)速點的功率系數(shù)超過0.6，有的風(fēng)速段折算的功率系數(shù)已經(jīng)達到了0.8。

在簽訂風(fēng)電機組合同時，一般功率曲線作為一項重要的保證條款，可向整機廠商索賠，且索賠金額較大，相關(guān)行業(yè)標準制訂又相對滯后。如論證的結(jié)果是功率曲線不合格業(yè)主則可能得到一筆金額較大的索賠，或者因功率曲線爭議而延遲出保。因此，在中國各種各樣的功率曲線論證公司也應(yīng)運而生，因功率曲線測試的復(fù)雜性，其準確和公正程度值得懷疑。

結(jié)語

同一生產(chǎn)廠家，同種型號機組的生產(chǎn)一致性是容易考察和做到的，而實際運行功率曲線則是反映機組的實際運行狀態(tài)，因外界條件的不同，存在差異，甚至差異很大，且難以準確測定。如何簡便、有效地驗證和考察機組的功率特性值得探討。建議國家、行業(yè)出臺相應(yīng)的政策、法規(guī)以規(guī)范市場。