基于運行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機組功率曲線可靠性評估

袁紅亮，胡 義

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司, 西安 710065)

0 前 言

在風(fēng)電場竣工投產(chǎn)后，風(fēng)電機組的出力特性決定著整個風(fēng)電場的經(jīng)濟效益，而評價風(fēng)機出力特性的優(yōu)劣時，其功率曲線是重要的考核指標(biāo)之一。所以根據(jù)SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)[1]系統(tǒng)中采集的運行數(shù)據(jù)對風(fēng)電機組功率特性進行驗證分析是對風(fēng)電場運行狀態(tài)評估的重要組成部分，同時也是風(fēng)電場后評估的重要內(nèi)容之一。

國內(nèi)外很多學(xué)者通過SCADA系統(tǒng)中的運行數(shù)據(jù)對風(fēng)電機組的功率特性進行評估。劉昊[2]根據(jù)IEC61400-12功率特性測試中的Bin方法，對SCADA系統(tǒng)中風(fēng)電機組的實測風(fēng)速與功率數(shù)據(jù)進行處理，得到風(fēng)電機組的實際功率曲線，并且對風(fēng)電機組性能進行分析；Kelouwani S[3]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建非線性模型對風(fēng)電機組的輸出功率進行預(yù)測，并且根據(jù)SCADA系統(tǒng)中10 min的平均風(fēng)速對非線性模型進行驗證，得到風(fēng)電機組的預(yù)測功率與實際功率的誤差為1%。

1 數(shù)據(jù)的篩選與修正

1.1 數(shù)據(jù)的篩選

為了提高風(fēng)電機組功率曲線評估的準(zhǔn)確性，需要將風(fēng)機的瞬時風(fēng)速和有功功率數(shù)據(jù)進行篩選和處理，以保證被分析的是風(fēng)機正常運行工況下的數(shù)據(jù)。所以，下列情況下的數(shù)據(jù)應(yīng)進行剔除[4]：

(1) 根據(jù)從SCADA系統(tǒng)中采集得到的停機統(tǒng)計和持續(xù)時間，對同期風(fēng)機停機前后30 min的瞬時風(fēng)速、有功功率等數(shù)據(jù)進行剔除；

(2) 當(dāng)瞬時風(fēng)速大于切入風(fēng)速，有功功率仍為0的數(shù)據(jù)，即機組不工作的數(shù)據(jù)，應(yīng)對其數(shù)據(jù)進行剔除；

(3) 在正常數(shù)據(jù)點比較密集的功率曲線下方，可能存在一些比較分散的欠功率點，需分析風(fēng)機是否處于限負(fù)荷運行狀態(tài)，需要對該運行工況下的數(shù)據(jù)進行剔除。

1.2 數(shù)據(jù)的修正

在根據(jù)風(fēng)速-功率散點圖擬合成功率曲線之前，需要對運行數(shù)據(jù)的相關(guān)量進行修正，折算到與風(fēng)電場設(shè)計階段理論功率曲線相同的條件下。

(1) 空氣密度可以根據(jù)現(xiàn)場氣溫和氣壓的測量值得到：

(1)

式中:ρ10min為空氣密度10 min的平均值，kg/m3；T10min為絕對氣溫10 min的平均值,℃+273；P10min為測量氣壓10 min平均值,Pa；R0為氣體常數(shù)，287.05 J/(kg·K-1)。

(2) 對定槳距的失速調(diào)節(jié)風(fēng)電機組，可根據(jù)下式對有功功率進行修正[5]：

(2)

式中:Pn為修正后的有功功率；P10min為有功功率10 min的平均值；ρ1為理論功率曲線對應(yīng)的空氣密度。

(3) 對變槳距控制風(fēng)電機組，應(yīng)根據(jù)下式進行風(fēng)速修正[5]：

(3)

式中:Vn為修正后的風(fēng)速；V10min為風(fēng)速10 min的平均值。

2 功率曲線繪制

將風(fēng)速分割成多個1 m/s的小區(qū)間(如[3.5 m/s，4.5 m/s])，對風(fēng)速區(qū)間內(nèi)V10min和P10min取平均值。具體計算公式如下：

(4)

(5)

式中:Vi為第i個風(fēng)速區(qū)間平均風(fēng)速；Vi,j為第i個風(fēng)速區(qū)間數(shù)據(jù)j風(fēng)速；Pi為第i個風(fēng)速區(qū)間的平均輸出功率；Pi,j為第i個風(fēng)速區(qū)間數(shù)據(jù)j輸出功率；Ni為第i個風(fēng)速區(qū)間內(nèi)10 min數(shù)據(jù)的個數(shù)。

以每個區(qū)間的平均風(fēng)速為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，可繪制風(fēng)機實際運行的功率曲線。

3 功率曲線評估實例

本文所選取的風(fēng)電場實例位于陜北地區(qū)，風(fēng)電場已成功運營了5 a時間。風(fēng)電場內(nèi)共有25臺風(fēng)機，本次功率曲線評估選取的是具有代表性(不因電網(wǎng)限負(fù)荷而限電運行)的2、12和16號3臺樣板風(fēng)機，風(fēng)機的基本參數(shù)見表1。該風(fēng)電場風(fēng)機布置見圖1所示。

表1 風(fēng)電機組基本參數(shù)表

圖1 風(fēng)電場風(fēng)機布置圖

考慮到運行數(shù)據(jù)的完整性，評估過程中選取3臺樣板風(fēng)機2016.06.01-2016.08.31時段內(nèi)瞬時風(fēng)速和有功功率數(shù)據(jù)進行分析，按照本文1.1節(jié)的方法進行數(shù)據(jù)篩選，根據(jù)14號風(fēng)機北邊測風(fēng)塔M1測量的同期氣溫和大氣壓計算得到現(xiàn)場同期時段內(nèi)空氣密度為0.974 kg/m3；而風(fēng)電場設(shè)計階段使用的理論功率曲線對應(yīng)的空氣密度為1.041 kg/m3，所以采用公式(3)進行風(fēng)速修正。數(shù)據(jù)修正后得到2、12、16號風(fēng)機的風(fēng)速-功率的散點如圖2～4所示。

圖2 2號風(fēng)機風(fēng)速-功率散點圖

根據(jù)修正后的風(fēng)電機組風(fēng)速-輸出功率數(shù)據(jù)，按照公式(4)、(5)計算得到每個風(fēng)速區(qū)間內(nèi)的平均風(fēng)速和平均輸出功率，擬合成一條風(fēng)機實際運行功率曲線。并且與風(fēng)電場設(shè)計階段廠家提供的理論功率曲線進行對比，得到3臺風(fēng)機實際功率曲線與理論功率曲線的對比圖，如圖5所示。

圖3 12號風(fēng)機風(fēng)速-功率散點圖

圖4 16號風(fēng)機風(fēng)速-功率散點圖

由圖5可以看出,3臺風(fēng)機在達到額定功率后，風(fēng)機會保持部分超額發(fā)電；在[3 m/s，9 m/s]中低風(fēng)速段均略高于設(shè)計階段廠家提供的理論功率曲線；在[9 m/s，14 m/s]高風(fēng)速段低于廠家提供的功率曲線。可能原因是：① 廠家在設(shè)計階段提供的功率曲線是靜態(tài)功率曲線；② 實際運行時段的湍流強度等外界因素與設(shè)計階段考慮的湍流強度不一致；③ 風(fēng)機部件老化，導(dǎo)致控制策略滯后的風(fēng)速變化。

圖5 3臺風(fēng)機實際功率曲線與理論功率曲線的對比圖

4 功率保證值的計算

4.1 計算方法

按照風(fēng)速的劃分區(qū)間，統(tǒng)計各風(fēng)速段的風(fēng)頻值：

(6)

式中:θi為第i個統(tǒng)計風(fēng)速區(qū)間的頻率；Ni為風(fēng)速落在第i個統(tǒng)計區(qū)間的數(shù)據(jù)量；N為風(fēng)速數(shù)據(jù)的總量。

功率保證系數(shù)K計算公式[6]：

表2 3臺風(fēng)機功率曲線保證率計算表

(7)

式中:K為單臺風(fēng)機的功率保證系數(shù)；m為統(tǒng)計區(qū)間個數(shù)；θi為第i個統(tǒng)計區(qū)間的頻率；Pi為第i個統(tǒng)計區(qū)間的平均功率；Pi′為設(shè)計階段廠家給定的對應(yīng)統(tǒng)計區(qū)間平均風(fēng)速的功率。

4.2 計算結(jié)果及分析

按照功率保證值計算方法，得到3臺風(fēng)機功率曲線可靠性評估一系列參數(shù)，如表2所示。

由表2可知，本風(fēng)場內(nèi)具有代表性的3臺風(fēng)機的整體功率保證率K值均為大于100%，其中16號風(fēng)機實際運行功率最優(yōu)，說明風(fēng)機實際輸出功率曲線整體高于設(shè)計階段廠家提供的功率曲線。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)風(fēng)電場采集的運行數(shù)據(jù)，對風(fēng)機實際功率曲線進行擬合，并與設(shè)計階段廠家提供的功率曲線相比較來評估設(shè)計階段的理論功率曲線可靠性。得出的結(jié)論如下：

(1) 該風(fēng)電場選取的3臺風(fēng)機的實際功率曲線整體高于設(shè)計階段廠家提供的功率曲線，說明設(shè)計階段廠家提供的風(fēng)機功率曲線可靠性較高，該風(fēng)電場運行狀況良好。

(2) 風(fēng)機實際功率曲線在中低風(fēng)速段略高于廠家提供的功率曲線；在高風(fēng)速段略低于廠家提供的功率曲線。

(3) 3臺風(fēng)機功率曲線的整體保證值分別為105.4%、107.9%和123.7%，其中16號風(fēng)機實際功率曲線最優(yōu)，功率保證值為123.7%。