風(fēng)電機(jī)組功率曲線問題及爭議淺析

文 | 王明軍

風(fēng)電機(jī)組功率曲線問題及爭議淺析

文 | 王明軍

提高風(fēng)電機(jī)組效率、降低度電成本是業(yè)內(nèi)人士的共同愿望，但過度強(qiáng)調(diào)機(jī)組效率，而忽視機(jī)組遠(yuǎn)期故障幾率、部件損壞及長期度電成本，必然會顧此失彼，得到與初衷相反的效果。因業(yè)主對功率曲線的“嚴(yán)格”要求，國內(nèi)不少本該出保的風(fēng)電場，因功率曲線問題的分歧和爭議，遲遲未能出保，該付的款項沒有得到應(yīng)有的支付。為了出保，廠家不得不在生成功率曲線的各個環(huán)節(jié)上作文章。為了在激烈的市場競爭中取勝，有的廠家對標(biāo)準(zhǔn)功率曲線甚至進(jìn)行了大膽的修飾，良莠不齊的功率曲線論證公司也應(yīng)運而生。因此，不少功率曲線的真實性及論證的合理性值得懷疑。

風(fēng)能利用系數(shù)與提高機(jī)組效率

所謂功率曲線就是以風(fēng)速（Vi）為橫坐標(biāo)，以有功功率Pi為縱坐標(biāo)的一系列規(guī)格化數(shù)據(jù)對（Vi，Pi）所描述的特性曲線。在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（ρ＝1.225kg/m3）的條件下，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線稱風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。

風(fēng)能利用系數(shù)是指葉輪吸收的能量與整個葉輪平面上所流過風(fēng)能的比值，用Cp表示，是衡量風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中吸收的能量的百分率。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.593，風(fēng)能利用系數(shù)大小與葉尖速比和槳葉節(jié)距角有關(guān)系。

翼型升力和阻力的比值稱升阻比。只有當(dāng)升阻比和尖速比都趨近于無窮大時，風(fēng)能利用系數(shù)才能趨近于貝茲極限。實際風(fēng)電機(jī)組的升阻比和尖速比都不會趨近于無窮大。實際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)不可能超過相同升阻比和尖速比的理想風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)。采用理想的葉片結(jié)構(gòu)，當(dāng)升阻比低于100時，實際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)不可能超過0.538。

水平軸風(fēng)電機(jī)組的氣動設(shè)計主要是設(shè)計葉片幾何外形（包括葉片個數(shù)、弦長及扭角分布、截面翼型形狀等），目的是獲得最佳風(fēng)能利用系數(shù)和最大年發(fā)電量，同時降低葉片載荷。而這三個目的有時會發(fā)生矛盾。與理想風(fēng)電機(jī)組不同，除升阻比只能為有限值外，實際風(fēng)電機(jī)組還要考慮兩個現(xiàn)實問題：

一是要考慮有限葉片數(shù)造成的功率損失。有限葉片數(shù)對風(fēng)能利用系數(shù)影響的計算過程比較復(fù)雜，這里僅給出部分計算結(jié)果。對于理想葉片形狀，在升阻比為100時，尖速比只有在6-10的范圍內(nèi)，有限葉片風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)才有可能微微超過0.500，如果升阻比下調(diào)到100以內(nèi)的實用區(qū)，功率損失會更大。

二是，理想葉片的形狀十分復(fù)雜，難以加工制造，實際風(fēng)電機(jī)組的葉片必然采用簡化結(jié)構(gòu)。另外在考慮葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動、變形、離心剛化和氣動阻尼作用，以及考慮機(jī)組成本、年輸出功率等問題時都會對葉片形狀提出其他方面的要求，這又會進(jìn)一步降低風(fēng)能利用系數(shù)。

有限葉片數(shù)造成的功率損失是無法避免的，葉片的易加工性、成本、強(qiáng)度、振動等諸多導(dǎo)致風(fēng)能利用系數(shù)降低的實際問題也是必須考慮的因素。綜合理論計算和對實際問題的分析，實際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)難以超過0.500。

為了計算簡便，在實際Cp值折算時，常把機(jī)組發(fā)電功率視為葉輪所吸收的風(fēng)能。由于以下幾方面的原因：機(jī)組轉(zhuǎn)速只能在運行風(fēng)速內(nèi)的部分風(fēng)速段較準(zhǔn)確地跟蹤葉尖最佳速比；變槳、偏航、部件冷卻等機(jī)組有自耗電；因風(fēng)能資源的復(fù)雜多變，實際機(jī)組不可能準(zhǔn)確對風(fēng)；當(dāng)葉輪吸收能量后，還必須通過機(jī)組諸多部件（如：齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器等）進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，當(dāng)經(jīng)過這些部件時，必然有能量損失。因此，在不同風(fēng)速下，由實際發(fā)電功率計算出來的Cp值會更低，有不少風(fēng)速段的Cp值遠(yuǎn)低于0.5。

國外有個別廠家為了提高實際機(jī)組效率，在葉片輪轂的流線形狀、部件性能等多環(huán)節(jié)進(jìn)行深入的研究和大的投入，制造出了最高Cp值超過0.5的“神機(jī)”，但是，因其設(shè)計和制造難度增大，勢必使機(jī)組的生產(chǎn)成本增加，投資回報時間延長。

目前，國內(nèi)市場競爭激烈，用戶不僅在機(jī)組招標(biāo)時選擇功率曲線優(yōu)秀的機(jī)型，而且，在機(jī)組投運后，不少業(yè)主還希望通過調(diào)整機(jī)組控制策略，提高機(jī)組效率和優(yōu)化功率曲線。然而，如不顧當(dāng)前的技術(shù)水平，忽視機(jī)組遠(yuǎn)期維護(hù)成本和故障幾率，片面地強(qiáng)調(diào)機(jī)組效率，勢必使機(jī)組長期度電成本增加，最終，必然是得不償失。

就風(fēng)電機(jī)組的控制算法而言，目前尚未有集所有優(yōu)點于一體的控制算法。設(shè)計高性能的風(fēng)電機(jī)組控制策略需針對具體風(fēng)能環(huán)境，兼顧控制成本和控制目的，最大限度地量化控制指標(biāo)，實現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。在優(yōu)化功率曲線時，應(yīng)兼顧部件及機(jī)組壽命、故障幾率以及機(jī)組自耗電等，例如：把低風(fēng)速段不變槳且輪轂處于休眠狀態(tài)的控制方式修改為小風(fēng)調(diào)槳的控制策略，從原理上講，這的確可使低風(fēng)速段的葉輪Cp值增加，必然使輪轂部件的工作時間大大增加，機(jī)組自耗電增加，部件壽命縮短，故障幾率增加。所以，這種修改未必可取。

因此，在選擇機(jī)型時，應(yīng)考慮機(jī)組的綜合性能。例如：機(jī)組使用方便，遠(yuǎn)期維護(hù)和維修成本低，絕大部分故障可通過遠(yuǎn)程進(jìn)行檢查和診斷等；在優(yōu)化功率曲線提高機(jī)組效率時，應(yīng)綜合考慮各種因素，避免對機(jī)組部件壽命和長期維護(hù)成本造成不良影響，獲得更優(yōu)的度電成本。

用風(fēng)能利用系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)（理論）功率曲線的真實性

由上面分析可知，現(xiàn)場機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)一般不超過0.5，因此，通過標(biāo)準(zhǔn)（理論）功率曲線換算出的風(fēng)能利用系數(shù)，可以較為簡便地核實標(biāo)準(zhǔn)（理論）功率曲線的真實性。

表1、表2分別示出了某國產(chǎn)和國外品牌1.5MW和2.0MW 機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算出的風(fēng)能利用系數(shù)。國產(chǎn)機(jī)組在1.8m/s和2m/s的風(fēng)能利用系數(shù)均超過0.8，4m/s-6m/s風(fēng)能利用系數(shù)超過0.6。如是理論功率曲線，則已超過了貝茲極限，其真實性值得懷疑；如為實測，應(yīng)是測量偏差或其他原因造成。而國外機(jī)組在不同風(fēng)速下由功率曲線換算出的風(fēng)能利用系數(shù)，則較符合風(fēng)電機(jī)組的運行規(guī)律與控制特性。

驗證實測功率曲線、標(biāo)準(zhǔn)（理論）功率曲線和機(jī)組現(xiàn)場運行形成功率曲線

機(jī)組驗證實測功率曲線、標(biāo)準(zhǔn)（理論）功率曲線和現(xiàn)場運行形成的功率曲線，雖然都是反映風(fēng)速與機(jī)組發(fā)電功率的關(guān)系曲線，由于三者的形成條件和用途的不同，三者又有矛盾的一面。

驗證機(jī)組性能的實測功率曲線與理論功率曲線主要是用于反映機(jī)組性能，其生成條件是盡力消除，少考慮或不考慮功率曲線的各種影響因素。

驗證實測功率曲線，在國際上普遍采用IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)，其采樣周期為10min。在實測時，對現(xiàn)場環(huán)境條件及測試設(shè)備有著嚴(yán)格的要求，而現(xiàn)場運行機(jī)組一般難以達(dá)到。在進(jìn)行功率特性測試時，還應(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)。其費用高，時間長，會因湍流強(qiáng)度及其他各種影響因素造成偏差。實測功率曲線的值不是唯一的，因為，它與機(jī)組的現(xiàn)場運行功率曲線一樣都是通過散點分布圖繪制而成。機(jī)組的實測功率曲線很離散，且范圍較寬，還會因測量者、測試公司的不同而不同。因此，利用實測的機(jī)組發(fā)電功率與風(fēng)速計算的風(fēng)能利用系數(shù)，不僅可能超過0.5，而且，超過貝茲極限也是可能的。正因如此，一般不采用實測功率曲線值作為標(biāo)書上的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。在設(shè)計評估或設(shè)計認(rèn)證時，國內(nèi)大部分整機(jī)制造商所提供的擔(dān)保功率曲線是通過仿真計算出來的理論功率曲線。

表1 1.5MW機(jī)組功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算的風(fēng)能利用系數(shù)

表2 2.0MW機(jī)組功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算的風(fēng)能利用系數(shù)

在風(fēng)電場，機(jī)組運行生成的功率曲線主要用于機(jī)組維修和功率調(diào)整，要能反映出機(jī)組的自身性能、故障狀況、環(huán)境和氣候條件等。現(xiàn)場需要通過考察機(jī)組運行形成的功率曲線來判斷機(jī)組的葉片、風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)、功率控制參數(shù)等是否存在問題。例如，對于剛調(diào)試完的風(fēng)電機(jī)組，需要通過對每臺機(jī)組實際運行形成功率曲線的考察來進(jìn)行功率調(diào)整，以在短時間內(nèi)（經(jīng)歷一兩次大風(fēng)）就能把整個風(fēng)電場機(jī)組的實際發(fā)電功率準(zhǔn)確調(diào)整到“額定功率”，機(jī)組既不能報“功率過高”停機(jī)，也不能有功率過低的情況發(fā)生。在風(fēng)電場機(jī)組調(diào)試的初期，風(fēng)電場通訊還沒有建立，為了短時間內(nèi)把機(jī)組調(diào)試到最佳狀態(tài)，這不僅需要形成較為完整的功率曲線，而且，功率曲線數(shù)據(jù)還應(yīng)生成、儲存在控制器中，以便通過專門的調(diào)試軟件讀取數(shù)據(jù)、生成功率曲線。因此，采樣周期不能太長，一般應(yīng)設(shè)為30s或1s。對機(jī)組調(diào)試和檢查缺陷而言，如把采樣周期設(shè)置為10min，則很難具有實用價值。在這方面，某些國際知名廠家的設(shè)計理念和方法值得借鑒，如Mita控制器WP3100。

在生成功率曲線數(shù)據(jù)時，不少國產(chǎn)控制器的程序設(shè)計，考慮最多的是機(jī)組出保，一般采用10min采樣周期，對調(diào)試和判斷機(jī)組缺陷少有考慮，或沒有考慮。在控制器編程時，嚴(yán)格遵循IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)，而現(xiàn)場條件及機(jī)組傳感器等均不符合IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，生成的功率曲線難以良好地反映機(jī)組性能。加之，近年來，不少風(fēng)電場限電問題嚴(yán)重，把采樣周期設(shè)定為10min，在通常情況下，在一年，甚至幾年都難以形成正常、完整的功率曲線，這給現(xiàn)場的機(jī)組調(diào)試和維修帶來了極大的不便。

機(jī)組在現(xiàn)場運行生成的功率曲線受到外界多種因素的影響，利用它來判斷機(jī)組性能應(yīng)有諸多的前提和限制條件。也正因為如此，為了較為準(zhǔn)確地考查和驗證機(jī)組的功率特性，IEC61400-12-1和IEC61400-12-2標(biāo)準(zhǔn)對此作了詳盡地規(guī)定。因現(xiàn)場運行機(jī)組達(dá)不到這些規(guī)定和條件，生成的功率曲線與合同（標(biāo)準(zhǔn)）功率曲線不一致，本屬于正常現(xiàn)象。或者說，功率曲線不與合同要求完全一致符合現(xiàn)場機(jī)組運行的基本規(guī)律。

然而由于各種原因，不少業(yè)主對功率曲線有著“嚴(yán)格”的要求。為了達(dá)標(biāo)，廠家只有采取多種修正方式。如果一個風(fēng)電場（如：33臺機(jī)組）同一機(jī)型的每一臺機(jī)組，不需要嚴(yán)格的限制條件就能在每個時段、每個風(fēng)速段上生成的功率曲線都符合合同約定，在合同要求之上，那么，其功率曲線可能是采取多種措施或手段進(jìn)行了修正。而這種“修正”往往既不利于良好地反映機(jī)組性能，又不利于機(jī)組維修和調(diào)整。有的甚至因?qū)β是€的過度調(diào)整而危及部件壽命，增加故障幾率等。由某國外機(jī)組的功率曲線數(shù)據(jù)可知（見表1、表2），提高機(jī)組的額定功率可以降低其滿負(fù)荷風(fēng)速。如為了降低功率曲線上的滿負(fù)荷風(fēng)速，減小湍流強(qiáng)度對功率曲線的不利影響，不顧及設(shè)備安全，過度地調(diào)高機(jī)組額定功率，勢必增加變頻器、發(fā)電機(jī)等部件的故障幾率。

正如其他物件的度量一樣。在度量時，首先應(yīng)核實度量工具是否合格；其次還需排除各種影響因素，而不是簡單地考察測量數(shù)值是否滿足要求。因此，在考察風(fēng)電機(jī)組的實際運行功率曲線時，首先需保證功率曲線的生成程序、生成方式，相關(guān)傳感器及參數(shù)設(shè)置的正確，同時，還需排除各種內(nèi)部和外界的干擾因素。

要讓機(jī)組運行得到的功率曲線作為判斷機(jī)組性能的重要參考依據(jù)，在考察期內(nèi)應(yīng)注意以下幾方面的問題：機(jī)組狀態(tài)及運行條件正常（如：沒有限功率，風(fēng)速儀的傳遞函數(shù)準(zhǔn)確、可靠，測量時間及其連續(xù)性符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組控制器、功率檢測元件、風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀、葉片零位和控制參數(shù)等正常）；功率曲線的采樣周期、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)篩選、生成方式等科學(xué)、合理，并與現(xiàn)場機(jī)組的運行條件相適應(yīng)，而不是一味地、教條地執(zhí)行IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)；采取多種有效措施排除風(fēng)況、地形等因素的干擾（如：把不同機(jī)位、不同風(fēng)電場的同一廠家同種機(jī)型批量機(jī)組的功率曲線進(jìn)行分析和比較）；在考察期內(nèi)沒有修改機(jī)組的功率控制程序及功率參數(shù)等。

如把實測功率曲線、標(biāo)準(zhǔn)（理論）功率曲線和機(jī)組運行生成功率曲線的形成條件和用途彼此混淆，勢必造成思維混亂，失去了功率曲線所應(yīng)有的作用，同時，也會因此產(chǎn)生不必要的糾紛和矛盾。

結(jié)語

我們應(yīng)當(dāng)理性對待風(fēng)電機(jī)組的功率特性考核與效率問題，采用合理措施生成功率曲線和判斷機(jī)組性能，減少不必要的糾紛和爭論，把主要精力集中于提高機(jī)組整體性能，降低機(jī)組的長期度電成本上。

（作者單位：東方電氣風(fēng)電有限公司）