淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速功率曲線

淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速功率曲線摘要：本文介紹了風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速功率曲線的定義及的相關(guān)指標(biāo)術(shù)語，分析了風(fēng)速功率曲線的作用和影響因素，并結(jié)合行業(yè)案例，闡述了風(fēng)速功率曲線的實(shí)際應(yīng)用。風(fēng)速功率曲線可用于風(fēng)電機(jī)組異常運(yùn)行數(shù)據(jù)的清洗、故障診斷和風(fēng)電機(jī)組發(fā)電控制策略的優(yōu)化等。關(guān)鍵詞：風(fēng)速；功率；風(fēng)速功率曲線；異常數(shù)據(jù)；故障診斷；優(yōu)化1.引言對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，考核機(jī)組性能、評(píng)估發(fā)電能力，始終貫穿于整個(gè)機(jī)組設(shè)計(jì)、風(fēng)場(chǎng)選址、機(jī)組發(fā)電、機(jī)組運(yùn)維等全過程中。如何合理地提高機(jī)組運(yùn)行效率、評(píng)估機(jī)組運(yùn)行狀況，始終是業(yè)內(nèi)的一個(gè)重要研究課題。本文給出了風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速功率曲線的定義、作用、影響因素、分析方法以及解決的實(shí)際問題，旨在通過對(duì)風(fēng)速功率曲線的介紹、現(xiàn)有方法的分析和討論及其應(yīng)用，對(duì)其應(yīng)用前景和發(fā)展方向進(jìn)行歸納總結(jié)。1.風(fēng)速功率曲線定義根據(jù)IEC6140012標(biāo)準(zhǔn)的定義，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速功率曲線是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率隨10min平均風(fēng)速變化的關(guān)系曲線，如果不考慮其他因素（忽略風(fēng)電機(jī)組的內(nèi)部特性），風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸入的風(fēng)速是影響其輸出功率（即有功功率）的主要因素。其中，為風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率，單位為-，為測(cè)量的風(fēng)速，單位為京?'、，。對(duì)于每一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)型，生產(chǎn)廠商都會(huì)有一個(gè)理論風(fēng)速功率曲線，通過實(shí)際風(fēng)速功率曲線與理論風(fēng)速功率曲線的對(duì)比，可判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否處于超負(fù)荷、欠負(fù)荷或正常負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。然而由于風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境與理想設(shè)計(jì)環(huán)境有較大差別，導(dǎo)致理論風(fēng)速功率曲線在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中產(chǎn)生偏差，因此為了能真實(shí)反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，需要構(gòu)建風(fēng)場(chǎng)實(shí)際的風(fēng)速功率曲線。圖1展示了國內(nèi)某風(fēng)場(chǎng)2.5MW機(jī)型10臺(tái)機(jī)組的實(shí)際風(fēng)速功率散點(diǎn)與理論風(fēng)速功率曲線，從圖中可以看出，實(shí)際的風(fēng)速功率散點(diǎn)與理論風(fēng)速功率曲線之間存在某些偏差。圖1某風(fēng)場(chǎng)10臺(tái)2.5MW機(jī)組的實(shí)際與理論風(fēng)速功率曲線1.風(fēng)速功率曲線的作用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)階段，風(fēng)速功率曲線可以從理論上可以確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特征與運(yùn)行特點(diǎn)，并且可以從理論上來評(píng)估風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量與發(fā)電效率，進(jìn)而衡量風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換能力。因此風(fēng)速功率曲線為風(fēng)場(chǎng)選址提供了重要的技術(shù)考核指標(biāo)，同時(shí)也是機(jī)組發(fā)電性能的一個(gè)重要指標(biāo)。風(fēng)速功率曲線的理論設(shè)計(jì)是風(fēng)電機(jī)組整體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，IEC6140012標(biāo)準(zhǔn)中有如下定義：風(fēng)速：流經(jīng)風(fēng)輪掃掠區(qū)域的風(fēng)的有效動(dòng)能通量。切入風(fēng)速：使風(fēng)力機(jī)開始發(fā)電的最低風(fēng)速。切出風(fēng)速：由于風(fēng)速過高使得風(fēng)力機(jī)與電網(wǎng)斷開的風(fēng)速。功率：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力的度量。測(cè)量功率曲線：按確定的測(cè)量程序測(cè)試，修正和標(biāo)準(zhǔn)化處理后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組凈電功率輸出與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系，用圖形和表格表示。通過這些定義指標(biāo)，可將理論風(fēng)速功率曲線刻畫出來，使得風(fēng)速與功率之間的關(guān)系達(dá)到一個(gè)平衡，可根據(jù)實(shí)際不同的運(yùn)行條件輔助調(diào)整控制策略與運(yùn)行方式，使風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際發(fā)電量最大。評(píng)價(jià)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電性能，應(yīng)當(dāng)比較切入風(fēng)速到切出風(fēng)速之間（發(fā)電范圍）各風(fēng)速下，風(fēng)電機(jī)組輸出功率的大小。1.風(fēng)速功率曲線的影響因素評(píng)價(jià)一個(gè)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能好壞，主要是根據(jù)風(fēng)速功率曲線來判斷。但風(fēng)速功率曲線受實(shí)際風(fēng)場(chǎng)情況、葉片、湍流強(qiáng)度、空氣密度、風(fēng)切變等的影響。1） 風(fēng)場(chǎng)實(shí)際復(fù)雜地形的影響。復(fù)雜地形主要是考慮距離機(jī)組一定距離內(nèi)的地形高度偏差及坡度對(duì)機(jī)組的影響，復(fù)雜地形會(huì)對(duì)機(jī)組周圍的風(fēng)湍流造成較大影響，使得風(fēng)速、風(fēng)向都呈現(xiàn)更多的變化性，因此針對(duì)地形傾角，需要采用影響因子進(jìn)行修正。2） 湍流強(qiáng)度的影響。湍流強(qiáng)度是指脈動(dòng)風(fēng)速（瞬時(shí)風(fēng)速與平均風(fēng)速的差）的均方差與平均風(fēng)速的比值。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)湍流強(qiáng)度大于0.18時(shí)，表明湍流處于較高水平，當(dāng)湍流強(qiáng)度小于0.14時(shí)，湍流處于較低水平。3） 葉片的影響。葉片是機(jī)組受力、發(fā)電的重要部件。如果風(fēng)電機(jī)組葉片受污染，葉片表面的污染物將影響葉片氣動(dòng)性能，并過早的造成渦流，將會(huì)減少機(jī)組的功率輸出，因此根據(jù)相應(yīng)的損失因子對(duì)風(fēng)速功率曲線進(jìn)行修正。此外，還需要考慮空氣密度、風(fēng)速測(cè)量等方法對(duì)風(fēng)速功率曲線的影響。1.風(fēng)速功率曲線的實(shí)際應(yīng)用風(fēng)速功率不僅可以用來評(píng)估風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能，在實(shí)際應(yīng)用中還發(fā)揮著巨大作用。1）風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的清洗。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中存在諸多異常情況，如計(jì)劃外停機(jī)、風(fēng)速測(cè)量傳感器失靈、棄風(fēng)限功、機(jī)組脫網(wǎng)、葉片受損等情況，這些異常情況會(huì)產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)，因此可根據(jù)風(fēng)速功率曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。如圖2中編號(hào)為1、2、3處的異常數(shù)據(jù)，需要清洗。圖2風(fēng)場(chǎng)10臺(tái)2.5MW機(jī)組的風(fēng)速功率散點(diǎn)2） 故障診斷。風(fēng)速功率散點(diǎn)中所體現(xiàn)出的異常數(shù)據(jù)往往代表這機(jī)組某種故障或異常。如圖2中，編號(hào)3處，表現(xiàn)為風(fēng)速達(dá)到發(fā)電要求，但機(jī)組卻未發(fā)電，可能是機(jī)組故障、采集設(shè)備故障、通信傳輸設(shè)備故障等情況；編號(hào)2處，表現(xiàn)為風(fēng)速達(dá)到發(fā)電要求，但機(jī)組出力很低，可結(jié)合溫度的判斷是否葉片結(jié)冰；編號(hào)1處，表現(xiàn)為風(fēng)速達(dá)到發(fā)電要求，但機(jī)組出力較低，可能是機(jī)組限功等原因。3） 超發(fā)與無法滿發(fā)。將實(shí)際風(fēng)速功率曲線與理論風(fēng)速功率曲線進(jìn)行對(duì)比，超過額定風(fēng)速后，如果機(jī)組的實(shí)際功率大于理論額定功率，則機(jī)組處于超發(fā)狀態(tài);如果機(jī)組的實(shí)際功率小于理論額定功率，則機(jī)組處于無法滿發(fā)狀態(tài)。實(shí)際風(fēng)速功率曲線的優(yōu)化。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的歷史運(yùn)行狀況，利用風(fēng)場(chǎng)發(fā)電機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，可對(duì)每個(gè)風(fēng)速區(qū)間擬合出最優(yōu)的風(fēng)速與輸出功率之間的關(guān)系，為實(shí)際風(fēng)速功率曲線的優(yōu)化提供理論依據(jù)。1.結(jié)語本文基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線的定義,分析了風(fēng)速功率曲線的作用及其影響因素，進(jìn)而闡述了風(fēng)速功率曲線的實(shí)際應(yīng)用。從本文的內(nèi)容來看，風(fēng)速功率曲線在機(jī)組的整個(gè)設(shè)計(jì)過程、風(fēng)場(chǎng)選址、發(fā)電性能評(píng)估、機(jī)組相關(guān)故障的診斷等方面均發(fā)揮了重要作用。參考文獻(xiàn)李軍軍，吳政球，譚勛瓊等.風(fēng)力發(fā)電及其技