基于17799曲線的風(fēng)機(jī)功率曲線評(píng)價(jià)方法研究

王慶偉， 蘇　梅， 于文革

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.新疆華電苦水風(fēng)電有限責(zé)任公司，新疆哈密839000；3.中國(guó)華電集團(tuán)公司，北京100031）

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基于17799曲線的風(fēng)機(jī)功率曲線評(píng)價(jià)方法研究

王慶偉1， 蘇梅2， 于文革3

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.新疆華電苦水風(fēng)電有限責(zé)任公司，新疆哈密839000；3.中國(guó)華電集團(tuán)公司，北京100031）

摘要：標(biāo)準(zhǔn)功率曲線對(duì)于評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)發(fā)電性能具有十分重要的意義。本文結(jié)合17799標(biāo)準(zhǔn)功率曲線形成過(guò)程的描述以及實(shí)際應(yīng)用的示范，得到一種全新的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組性能比對(duì)的計(jì)算方法，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中風(fēng)機(jī)的評(píng)價(jià)及優(yōu)化，起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：17799曲線； 標(biāo)準(zhǔn)功率曲線； 實(shí)際發(fā)電性能對(duì)比

0　引言

隨著環(huán)境的惡化和化石燃料的瀕臨枯竭，社會(huì)對(duì)于可再生能源的需求日益增大，在國(guó)家大力推進(jìn)能源消費(fèi)革命、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的背景下，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源在平衡經(jīng)濟(jì)建設(shè)與環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。“十二五”期間我國(guó)風(fēng)電等可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得突出成績(jī)，截至2015年上半年，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)規(guī)模達(dá)到1.05億kW，預(yù)計(jì)十三五期間有望突破2.5億kW，市場(chǎng)潛力巨大。

1　出廠標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的特點(diǎn)

出廠標(biāo)準(zhǔn)功率曲線指的是在標(biāo)準(zhǔn)情況下（溫度15℃，氣壓1013.3hPa，空氣密度1.225kg/m3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系，是風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)依據(jù)，也是考核機(jī)組性能、評(píng)估機(jī)組發(fā)電能力、預(yù)測(cè)和計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。機(jī)組制造商在向用戶提供設(shè)備時(shí)，首先要提交機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。按照IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)的定義，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線是機(jī)組輸出功率隨10min平均風(fēng)速變化的關(guān)系曲線，通過(guò)實(shí)際測(cè)試的方式得到[1，2]。這種測(cè)定得到的功率曲線具有獨(dú)特性，是針對(duì)具體的風(fēng)機(jī)和風(fēng)場(chǎng)來(lái)確定的，當(dāng)用于其他的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，仍然需要進(jìn)行修正和調(diào)整。

風(fēng)機(jī)廠家提供的功率曲線基本只能反映機(jī)組的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況，用來(lái)分析風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況時(shí)卻存在著明顯的誤差[3]。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并非嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)功率靜態(tài)曲線運(yùn)行，而是在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)呈散點(diǎn)式動(dòng)態(tài)分布[4]，如圖1所示。

對(duì)于不同廠家的不同機(jī)組而言，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，獲得各自的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線需要大量的數(shù)據(jù)和長(zhǎng)期的觀測(cè)作為基礎(chǔ)，難以為新機(jī)組的設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)于不同的風(fēng)場(chǎng)，自然風(fēng)的實(shí)時(shí)風(fēng)向和風(fēng)速具備不確定性，特別是地形相對(duì)復(fù)雜的山區(qū)，風(fēng)況更為復(fù)雜，以常規(guī)辦法較準(zhǔn)確地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪功率曲線，并以此考核機(jī)組性能是極其困難的[5]。

為得到標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，風(fēng)機(jī)廠家需要針對(duì)每一種機(jī)型進(jìn)行測(cè)試和計(jì)算，雖然工作量非常大，但這對(duì)于廠家準(zhǔn)確的表征各機(jī)型性能指標(biāo)是十分必要的，為發(fā)電企業(yè)設(shè)備選型提供很好的參考依據(jù)。然而與此同時(shí)，既然各機(jī)組實(shí)際功率曲線與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線均或多或少存在偏差，其投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)期間評(píng)估機(jī)組性能，將每一條實(shí)際功率曲線分別對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)功率曲線顯得有些事倍功半，而如果存在一條統(tǒng)一的曲線，作為業(yè)主評(píng)估各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行性能的標(biāo)尺，將會(huì)極大的簡(jiǎn)化發(fā)電企業(yè)風(fēng)電各項(xiàng)考核難度，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件編程時(shí)，也節(jié)省大量的邏輯計(jì)算，同時(shí)仍能達(dá)到考核和評(píng)價(jià)的目的。鑒于此，“17799曲線”應(yīng)運(yùn)而生。

2　“17799曲線”的提出

為得到這條目標(biāo)曲線。首先以1500kW機(jī)組為例進(jìn)行研究。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雖然制造廠商和機(jī)型品種繁多，但其原始標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的變化趨勢(shì)具有一定的相似度，這里將其分別繪制在同一平面直角坐標(biāo)系中，原始縱坐標(biāo)為額定功率，起點(diǎn)為0kW，終點(diǎn)為機(jī)型對(duì)應(yīng)的額定功率，即1500kW；原始橫坐標(biāo)為風(fēng)速，起點(diǎn)為0m/s，終點(diǎn)為額定功率下對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，如9.9m/s。當(dāng)達(dá)到額定功率后，無(wú)論風(fēng)速如何增加，功率保持額定不變，因此不再考慮該段曲線的變化趨勢(shì)。見表1。

表1　原始風(fēng)速-功率關(guān)系

如圖2所示，可以看出三條曲線的變化趨于一致，只是起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)有所差異，這里采用歸一化處理方法。將同一指標(biāo)下的有量綱量經(jīng)過(guò)等比例變換，轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱量表達(dá)，這里為保證數(shù)據(jù)的整齊度，歸一化處理之后將結(jié)果統(tǒng)一乘以10，歸一化處理后的風(fēng)速、功率命名為風(fēng)速系數(shù)和功率系數(shù)，其變換式：

式中 x—風(fēng)速系數(shù)；

y—功率系數(shù)；

V—風(fēng)速，m·s-1；

VR—額定風(fēng)速，m·s-1；

P—功率，kW；

PR—額定功率，kW。

變換后的風(fēng)速系數(shù)與功率系數(shù)關(guān)系見表2。

表2　歸一化后風(fēng)速系數(shù)-功率系數(shù)關(guān)系表

如圖3所示，歸一化處理之后，可以看到三條曲線的一致性非常好，幾乎重合，因此可以用一條擬合曲線來(lái)表示三條線的變化趨勢(shì)，以表征風(fēng)速系數(shù)與功率系數(shù)之間的相對(duì)邏輯關(guān)系。按照這樣的規(guī)律，我們選取了足夠數(shù)量機(jī)型的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線作為樣本，通過(guò)同樣的方式換算至同一坐標(biāo)系，發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律依然存在，無(wú)論機(jī)型或制造廠商是否相同。最終，我們找到一條唯一的擬合曲線用來(lái)表示所有1500kW機(jī)組的風(fēng)速系數(shù)與功率系數(shù)邏輯關(guān)系和曲線的變化趨勢(shì)。

通過(guò)分析比較，發(fā)現(xiàn)同一廠家的不同額定功率風(fēng)機(jī)其變化趨勢(shì)趨于一致，各功率曲線之間存在著某種特定的內(nèi)在聯(lián)系，如圖4所示。當(dāng)然，按照1500kW機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的形成方法得到的2000kW、2500kW和3000kW的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，也必定會(huì)遵循這一規(guī)律，存在統(tǒng)一的邏輯關(guān)系。

運(yùn)用相同的歸一化處理方法，對(duì)不同功率風(fēng)機(jī)的風(fēng)速及功率進(jìn)行變換，得到如圖5所示的關(guān)系圖。

可以看出即使是不同功率的風(fēng)機(jī)，其換算后的風(fēng)速系數(shù)-功率系數(shù)曲線依然具備較好的一致性和相似性，通過(guò)對(duì)大量曲線的擬合，最終得到了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，即“17799曲線”，其表達(dá)式為：

該表達(dá)式所示曲線即可以定義為風(fēng)電機(jī)組設(shè)備制造技術(shù)的一般水平，作為評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)性能優(yōu)劣的一桿秤，將不同廠家不同功率的曲線與之比對(duì)，正偏差為相對(duì)優(yōu)秀，負(fù)偏差為相對(duì)欠缺。

3　“17799曲線”的應(yīng)用

為直觀了解“17799曲線”的實(shí)際應(yīng)用，我們以國(guó)內(nèi)某大型風(fēng)機(jī)廠家生產(chǎn)的額定功率為1500kW機(jī)型為例，進(jìn)行說(shuō)明。

3.1標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的評(píng)價(jià)

根據(jù)該型號(hào)風(fēng)機(jī)的出廠標(biāo)準(zhǔn)功率曲線將“17799曲線”進(jìn)行縮放，其原始風(fēng)速-功率見表3。

表3　某機(jī)型原始風(fēng)速-功率關(guān)系

根據(jù)式（1）、式（2），有：

將式（4）、式（5）代入式（3）中，有：

即為“17799曲線”在該機(jī)型出廠標(biāo)準(zhǔn)功率曲線坐標(biāo)系中的表達(dá)式。如圖6所示。

可以看出，兩條線的位置及變化趨勢(shì)十分接近，證明該風(fēng)機(jī)的理論性能近似行業(yè)一般水平。

3.2實(shí)際功率曲線的評(píng)價(jià)

將該款風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)速-功率對(duì)應(yīng)散點(diǎn)圖在平面直角坐標(biāo)系中進(jìn)行表示，如圖7所示，擬合出實(shí)際功率曲線，得到其曲線公式：

將該風(fēng)機(jī)實(shí)際功率曲線與轉(zhuǎn)換后的“17799”標(biāo)準(zhǔn)功率曲線繪制在同一直角坐標(biāo)系中，如圖8所示。發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)各風(fēng)速下的實(shí)際功率均低于“17799曲線”表征的理論功率，表明該款風(fēng)機(jī)實(shí)際發(fā)電效果不理想。

為量化比較該機(jī)型實(shí)際功率曲線與“17799”標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的具體差異，在某相同風(fēng)速的情況下將兩者功率做差，有：

該差值表示同一風(fēng)速下實(shí)際功率對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)功率的偏差，而不同風(fēng)速下分別做差，并進(jìn)行總量上的累計(jì)，定義為功率容積偏差率，則有：

式中 ξ—功率容積偏差率；

V″R—實(shí)際額定風(fēng)速，m·s-1；

V″S—實(shí)際切入風(fēng)速，m·s-1；

V′R—“17799”標(biāo)準(zhǔn)額定風(fēng)速，m·s-1；

V′S—“17799”標(biāo)準(zhǔn)切入風(fēng)速，m·s-1。

利 用 MATLAB軟 件 計(jì) 算 解 得 ，ξ=-0. 20097574370709387。即二者功率容積偏差率約為-20. 1%，表明該款風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)較設(shè)計(jì)值相差較大，需要進(jìn)行故障排查以尋找功率較低的原因。

4　結(jié)語(yǔ)

“17799曲線”不僅形式簡(jiǎn)潔，代表性強(qiáng)，而且可以

具備很好的伸縮性和延展性，基本適用于一切規(guī)格機(jī)型的對(duì)比，具有極其重要的意義。運(yùn)用“17799曲線”代替風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)功率曲線對(duì)比實(shí)際風(fēng)速-功率關(guān)系，評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)性能，更有說(shuō)服力，更能反映該風(fēng)機(jī)在整個(gè)行業(yè)內(nèi)的技術(shù)水平，為風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化和提升提供了有力的保障。

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修回日期：2016-03-16

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.002

中圖分類號(hào)：TM315

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-3429（2016）02-0009-04

作者簡(jiǎn)介：王慶偉（1986-），男，河北承德人，碩士研究生，工程師，從事新能源開發(fā)、設(shè)計(jì)、檢測(cè)及研究工作。

收稿日期：2016-01-26

Research on Evaluation Method of Wind Power Curve Based on 17799 Curve

WANG Qing-wei1， SU Mei2， YU Wen-ge3
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Xinjiang Huadian Kushui Wind Power Limited Liability Company，Hami 839000，China；3.China Huadian Corporation，Beijing 100031，China）

Abstract：The standard power curve is great significative for the evaluation of wind turbine performance.Combined with 17799 standard power curve formation process description and application demonstration，we get a new calculation method for comparison of the wind turbine performance，in the evaluation and optimization of operation of wind power production，it plays a guiding role.

Key words：17799 curve； standard power curve； the actual performance comparison