基于實時功率曲線的風電機組出力特性研究

范 奇,王 曦2,孫志超3,王宏偉2,杜保華

(1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054; 2.華能新能源股份有限公司，北京 100036;3.華能甘肅能源開發有限公司，甘肅 蘭州 730070)

隨著能源與環境問題受到關注，作為清潔可再生能源之一的風能逐漸被發電企業重視。目前，風力發電已經成為最具開發潛力的可再生能源發電方式之一。對于已投產的風電場，隨著運行時間推移以及設備的老化，風電機組出力能否達到標準值是影響風電場經濟性的關鍵。而風電機組的功率曲線是衡量機組經濟水平的最佳標尺，因此研究能夠反映風電機組真實水平的實時功率曲線至關重要[1-3]。

1 功率曲線研究現狀

風電機組功率曲線一般通過現場安裝儀器設備，確定測量位置，記錄一段時間內風電機組輪轂高度處的風速和在該風速下機組的輸出功率，利用Bin分析的方法計算風速-功率曲線[4-5]。但是，依據該方法計算時存在以下問題：

(1)需要對風電機組的運行性能、輸出功率和周圍氣象情況做長時間數據采集，有時會受當地風速條件所限，不能得到各風速區間下的數據，導致功率曲線不完整[6]。

(2)風電機組的功率曲線，受環境溫度、大氣濕度、大氣壓力以及機組自身特性等因素影響，不同風電機組所處的自然環境不同，導致不同風電機組不同時間段形成的功率曲線都不一樣。因此，為了得到不同風電機組最新的功率曲線，會消耗大量的人力物力[7-8]。

(3)根據風電機組提供的技術規范和用戶手冊，描述機組在標準空氣密度下的功率曲線，通常是通過計算得到的理論功率曲線，或者是在一定的模擬環境下通過試驗得出的曲線[9-10]。

綜上所述，受氣象和環境條件、風電機組排列、對風偏差、機型等條件限制，風電機組數據在實時性、完整性及風電場機組通用性等方面都存在一定的問題，從而對風電機組實際特性監測和評價都具有一定的影響[11-12]。

為了功率曲線的時效性、完整性以及風電機組通用性，本文結合影響功率曲線的因素，利用風電機組相關歷史數據，實時計算風電機組功率曲線。

2 實時功率曲線計算方法

實時計算風電機組功率曲線的數據源于風電機組的實時/歷史數據，主要包括實時風速、實時功率、風機可靠性狀態、大氣壓力、環境溫度等。計算步驟為[13-15]：

(1)采集一段時間內的風電機組風速vo、功率po、可靠性狀態so數據，形成樣本集合[vo,1,po,1,so,1]…[vo,i,po,i,so,i]，其中i為采集數據的個數，i=1,2,…n。

(2)過濾有效樣本數據，傳統方法提取有效樣本數據只考慮有效范圍內的實際運行功率，得到的樣本數據不能體現風電機組的真實發電能力，比如，當由于限負荷原因導致風電機組運行功率下降時，不能判定是屬于電網限負荷還是風電機組自身原因限負荷。因此在此基礎上，找出滿足樣本集合中能夠反映風電機組自身發電能力的數據，即當風電機組可靠性狀態處于正常發電、告警發電、異常限電狀態時所對應的風速v與功率p數據，形成新的樣本集合，[v1,p1,s1]…[vi,pi,si]。其中，可靠性狀態主要分為：正常發電、告警發電、調度限電、異常限電、待機、限電停機、場內受累、場外受累、定檢停機、維護停機、天氣停機、不可復位故障、可復位故障、離線。

(3)由于過濾后的風速數據由風速儀測得，風速儀一般安裝在風輪后面。而風輪機轉動時從風中獲取了能量，導致風速儀采集到的風速低于風輪前面的風速。為了得到相對真實的風速值，根據能量守恒近似計算風輪前面的風速，計算公式如下[16]

(1)

式中ρ——空氣密度/kg·m-3；

vf——風輪前面的風速/m·s-1；

v——采集的實時風速/m·s-1；

p——v對應的功率/kW；

a——風輪葉片掃掠面積/m2；

其中a=πr2，r——風輪半徑/m。

(4)將計算得到的風輪前風速vf折算為標準空氣密度下，其折算公式如下[16-17]

(2)

式中vb——標準空氣密度下的風輪前風速/m·s-1；

tb——標準絕對氣溫/℃；

ps——大氣壓力/kPa；

ts——環境溫度/℃；

pb——標準大氣壓力/kPa。

(5)以折算后的標準風速以及對應的功率數據作為新的樣本集合[vb,1,p1]…[vb,i,pi]，設置風速區間段如[2.75-3.25],[3.25-3.75],[3.75,4.25]…[……]，計算各風速區間段內的風速、功率平均值，計算公式如下

(3)

(4)

式中vb,i,avg——第i個風速區間段內的平均風速/m·s-1；

pi,avg——第i個風速區間段內的風速平均功率/kW；

vb,i,j——第i個風速區間段內第j個標準風速值/m·s-1；

pi,j——第i個風速區間段內第j個功率值/kW；

ni——第i個風速區間的樣本個數。

(6)利用步驟(5)得到的不同風速區間段內的平均風速及平均功率數據，采用最小二乘法擬合得到實時功率曲線。

3 風電機組出力特性評價

將出質保檢測的功率曲線作為理論功率曲線，結合計算的實時功率曲線，選取切入風速和切出風速間以1m/s為步長的若干個風速點及各風速點對應的理論功率和平均功率計算功率一致性系數，以此來評價風電機組的出力特性。功率一致性系數計算公式為[18]

功率一致性系數=

當發現風電機組功率一致系數低于某規定值則應聯系技術人員及時進行調整。

4 實例分析

以某1 500 kW華銳風電機組和1 650 kW南車風電機組不同時間段為例，實時計算功率曲線及功率一致性系數。

(1)1 500 kW華銳機組折算后的2017年10月和2018年2月的樣本數據見表1。

表1 平均風速、平均功率樣本數據

根據表1中的數據擬合得到圖1、圖2的功率曲線，通過圖中發現，在0～7 m的低風速區間段內折算后的功率比理論功率略高，而在7～25 m的高風速區間段內，折算后的功率比理論功率又大大降低，證明在低風速區間段內，風電機組能夠超負荷發電，而當風速持續增高時，由于風電機組自身原因限制，發電能力較弱。2017年10月和2018年2月的功率一致性系數分別為85.52%、89.25%，證明該風電機組整體運行情況欠佳，尤其在高風速階段發電能力較弱，但是相對來說2018年2月的運行性能較之前有所提高，主要因為在發現2017年10月該風電機組運行情況不良時，風電場技術人員及時對機組進行了維修檢查，改善了運行參數，因而運行性能提高。

(2)1 650 kW南車機組折算后的2017年10月和2018年2月的部分樣本數據見表2。

表2 平均風速、平均功率樣本數據

根據表2中的數據擬合得到圖3、圖4的功率曲線，通過圖中發現，在不同風速區間段內，實際功率與理論功率非常接近，且功率一致性系數分別為97.17%、95.54%，證明該風電機組運行良好。但隨著時間的推移，2018年2比2017年10月的功率一致性系數降低，表明該機組正處于性能下降的趨勢，需要及時對風電機組進行檢查，調整運行參數，防止性能進一步下降。

通過上述實例研究表明：受到變頻器、發電機、槳葉角度、風速風向標的安裝、葉輪對風速度、葉片基準位置、風速儀安裝偏差、風況、地形、制造、安裝及維護質量等因素的影響，風電機組的真實性能與設計性能往往存在一定差異，部分風機的差異非常明顯，性能遠低于理論功率曲線。因此機組真實性能的評估也是風機生產管理非常重要的一項工作，而功率曲線測定是表征風電機組性能的關鍵技術手段。采用在線數據快速測定實際功率曲線并對比與理論功率曲線的差異，可以準確掌握風機的性能是否合格，為風電機組性能優化提供指導。

5 結 論

本文基于風電機組風速、功率、可靠性狀態、大氣壓力、環境溫度等歷史數據提出了一種計算實時功率曲線的方法，并結合理論功率曲線對1 500 kW華銳、1 650 kW南車風電機組出力特性進行研究分析。結果表明，利用本方法不僅能夠真實反映風電機組的實際運行情況，準確掌握風電機組性能是否良好，并且能夠實時警示處于性能下降的風電機組，為風電企業及時發現設備潛在問題提供技術支撐。