基于17799曲線的風機功率曲線評價方法研究

王慶偉， 蘇　梅， 于文革

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.新疆華電苦水風電有限責任公司，新疆哈密839000；3.中國華電集團公司，北京100031）

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基于17799曲線的風機功率曲線評價方法研究

王慶偉1， 蘇梅2， 于文革3

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.新疆華電苦水風電有限責任公司，新疆哈密839000；3.中國華電集團公司，北京100031）

摘要：標準功率曲線對于評價風機發電性能具有十分重要的意義。本文結合17799標準功率曲線形成過程的描述以及實際應用的示范，得到一種全新的風機發電機組性能比對的計算方法，對實際生產運行中風機的評價及優化，起到一定的指導作用。

關鍵詞：17799曲線； 標準功率曲線； 實際發電性能對比

0　引言

隨著環境的惡化和化石燃料的瀕臨枯竭，社會對于可再生能源的需求日益增大，在國家大力推進能源消費革命、優化能源結構的背景下，以風電、光伏為代表的新能源在平衡經濟建設與環境保護方面發揮著舉足輕重的作用。“十二五”期間我國風電等可再生能源產業發展取得突出成績，截至2015年上半年，全國風電累計并網規模達到1.05億kW，預計十三五期間有望突破2.5億kW，市場潛力巨大。

1　出廠標準功率曲線的特點

出廠標準功率曲線指的是在標準情況下（溫度15℃，氣壓1013.3hPa，空氣密度1.225kg/m3）風力發電機組輸出功率與風速的函數關系，是風電機組的設計依據，也是考核機組性能、評估機組發電能力、預測和計算風電場年發電量的一項重要指標。機組制造商在向用戶提供設備時，首先要提交機組的標準功率曲線。按照IEC61400-12標準的定義，風力發電機組的功率曲線是機組輸出功率隨10min平均風速變化的關系曲線，通過實際測試的方式得到[1，2]。這種測定得到的功率曲線具有獨特性，是針對具體的風機和風場來確定的，當用于其他的風場時，仍然需要進行修正和調整。

風機廠家提供的功率曲線基本只能反映機組的穩態運行狀況，用來分析風電機組的實際運行狀況時卻存在著明顯的誤差[3]。根據實測數據顯示，聯網運行的風力發電機組并非嚴格遵循標準功率靜態曲線運行，而是在一個較寬的范圍內呈散點式動態分布[4]，如圖1所示。

對于不同廠家的不同機組而言，根據IEC標準的要求，獲得各自的標準功率曲線需要大量的數據和長期的觀測作為基礎，難以為新機組的設計提供參考。對于不同的風場，自然風的實時風向和風速具備不確定性，特別是地形相對復雜的山區，風況更為復雜，以常規辦法較準確地現場測繪功率曲線，并以此考核機組性能是極其困難的[5]。

為得到標準功率曲線，風機廠家需要針對每一種機型進行測試和計算，雖然工作量非常大，但這對于廠家準確的表征各機型性能指標是十分必要的，為發電企業設備選型提供很好的參考依據。然而與此同時，既然各機組實際功率曲線與標準功率曲線均或多或少存在偏差，其投產運營期間評估機組性能，將每一條實際功率曲線分別對比標準功率曲線顯得有些事倍功半，而如果存在一條統一的曲線，作為業主評估各風力發電機組實際運行性能的標尺，將會極大的簡化發電企業風電各項考核難度，在計算機系統軟件編程時，也節省大量的邏輯計算，同時仍能達到考核和評價的目的。鑒于此，“17799曲線”應運而生。

2　“17799曲線”的提出

為得到這條目標曲線。首先以1500kW機組為例進行研究。通過大量的數據對比，發現雖然制造廠商和機型品種繁多，但其原始標準功率曲線的變化趨勢具有一定的相似度，這里將其分別繪制在同一平面直角坐標系中，原始縱坐標為額定功率，起點為0kW，終點為機型對應的額定功率，即1500kW；原始橫坐標為風速，起點為0m/s，終點為額定功率下對應的風速，如9.9m/s。當達到額定功率后，無論風速如何增加，功率保持額定不變，因此不再考慮該段曲線的變化趨勢。見表1。

表1　原始風速-功率關系

如圖2所示，可以看出三條曲線的變化趨于一致，只是起點和終點的坐標有所差異，這里采用歸一化處理方法。將同一指標下的有量綱量經過等比例變換，轉化為無量綱量表達，這里為保證數據的整齊度，歸一化處理之后將結果統一乘以10，歸一化處理后的風速、功率命名為風速系數和功率系數，其變換式：

式中 x—風速系數；

y—功率系數；

V—風速，m·s-1；

VR—額定風速，m·s-1；

P—功率，kW；

PR—額定功率，kW。

變換后的風速系數與功率系數關系見表2。

表2　歸一化后風速系數-功率系數關系表

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表示三條線的變化趨勢，以表征風速系數與功率系數之間的相對邏輯關系。按照這樣的規律，我們選取了足夠數量機型的標準功率曲線作為樣本，通過同樣的方式換算至同一坐標系，發現這種規律依然存在，無論機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表示所有1500kW機組的風速系數與功率系數邏輯關系和曲線的變化趨勢。

通過分析比較，發現同一廠家的不同額定功率風機其變化趨勢趨于一致，各功率曲線之間存在著某種特定的內在聯系，如圖4所示。當然，按照1500kW機組標準功率曲線的形成方法得到的2000kW、2500kW和3000kW的標準功率曲線，也必定會遵循這一規律，存在統一的邏輯關系。

運用相同的歸一化處理方法，對不同功率風機的風速及功率進行變換，得到如圖5所示的關系圖。

可以看出即使是不同功率的風機，其換算后的風速系數-功率系數曲線依然具備較好的一致性和相似性，通過對大量曲線的擬合，最終得到了統一的標準功率曲線，即“17799曲線”，其表達式為：

該表達式所示曲線即可以定義為風電機組設備制造技術的一般水平，作為評價風機性能優劣的一桿秤，將不同廠家不同功率的曲線與之比對，正偏差為相對優秀，負偏差為相對欠缺。

3　“17799曲線”的應用

為直觀了解“17799曲線”的實際應用，我們以國內某大型風機廠家生產的額定功率為1500kW機型為例，進行說明。

3.1標準功率曲線的評價

根據該型號風機的出廠標準功率曲線將“17799曲線”進行縮放，其原始風速-功率見表3。

表3　某機型原始風速-功率關系

根據式（1）、式（2），有：

將式（4）、式（5）代入式（3）中，有：

即為“17799曲線”在該機型出廠標準功率曲線坐標系中的表達式。如圖6所示。

可以看出，兩條線的位置及變化趨勢十分接近，證明該風機的理論性能近似行業一般水平。

3.2實際功率曲線的評價

將該款風機實際風速-功率對應散點圖在平面直角坐標系中進行表示，如圖7所示，擬合出實際功率曲線，得到其曲線公式：

將該風機實際功率曲線與轉換后的“17799”標準功率曲線繪制在同一直角坐標系中，如圖8所示。發現該風機各風速下的實際功率均低于“17799曲線”表征的理論功率，表明該款風機實際發電效果不理想。

為量化比較該機型實際功率曲線與“17799”標準功率曲線的具體差異，在某相同風速的情況下將兩者功率做差，有：

該差值表示同一風速下實際功率對于標準功率的偏差，而不同風速下分別做差，并進行總量上的累計，定義為功率容積偏差率，則有：

式中 ξ—功率容積偏差率；

V″R—實際額定風速，m·s-1；

V″S—實際切入風速，m·s-1；

V′R—“17799”標準額定風速，m·s-1；

V′S—“17799”標準切入風速，m·s-1。

利 用 MATLAB軟 件 計 算 解 得 ，ξ=-0. 20097574370709387。即二者功率容積偏差率約為-20. 1%，表明該款風機在實際運行時較設計值相差較大，需要進行故障排查以尋找功率較低的原因。

4　結語

“17799曲線”不僅形式簡潔，代表性強，而且可以

具備很好的伸縮性和延展性，基本適用于一切規格機型的對比，具有極其重要的意義。運用“17799曲線”代替風機標準功率曲線對比實際風速-功率關系，評價風機性能，更有說服力，更能反映該風機在整個行業內的技術水平，為風電機組生產運行優化和提升提供了有力的保障。

參考文獻：

[1]IEC Technical Committee 88.IEC61400-12-1 wind turbines[S].HIS， 2005.

[2]GB/T 18451.2-2003，風力發電機組功率特性試驗[S].2003.

[3]申新賀，潘東浩，唐繼光.大型風電機組功率曲線的分析與修正[J].應用能源技術，2009，（8）：28~32.

[4]郎斌斌，穆鋼，嚴干貴，等.聯網風電機組風速-功率特性曲線的研究[J].電網技術，2008，32（12）：70~74.

[5]蔡純，張秋生.風力發電機組功率曲線的修正[J].廣東電力，2003，16 （1）：17~19.

修回日期：2016-03-16

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.002

中圖分類號：TM315

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）02-0009-04

作者簡介：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、設計、檢測及研究工作。

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