风电机组功率特性和载荷测试场地标定方法

焦渤，薛扬，李庆，秦世耀

(中国电力科学研究院新能源所，北京100192)

风电机组功率特性测试和载荷测试可以为发电商计算电量及风机制造商的设计提供有力的服务，使风电产业能够进一步健康发展[1]。

然而，由于我国幅员辽阔，地形情况多种多样，与欧洲广大的平坦地形有较大的差别，在开展功率特性测试和载荷测试中，经常遇到测试场地的地形不符合IEC61400-12-1标准的情况，这极大地制约了这两项测试工作的开展。根据IEC标准规定，如果场地不符合测试条件，则应进行场地标定。本文详细介绍了场地标定的原理、方法并对某风场的场地标定数据进行了处理与分析，得到了最终的测试扇区。

1 场地标定方法

由于地形会对功率特性及载荷测试的结果产生一定影响，因此，在进行上述两项测试之前，需要对测试场地进行场地评估。

IEC 61400-12-1中规定：如果地形满足表1的要求，则不需要进行场地标定。如果地形特征超出表1所示最大倾角限值之外50%范围内，应用气流模型计算决定是否进行场地标定。气流模型需要通过典型测试场地进行验证。若气流模型显示测量扇区内当风速为10m/s时风速计位置的风速与风电机组轮毂位置的风速差异小于1%，则不需要进行场地标定。否则应进行场地标定。评估区域图解，俯视图如图1所示。

表1 测试场地要求：地形变化

注：L为风电机组与测风塔之间的距离，L应在2~4倍风轮直径之间，推荐2.5倍风轮直径；*与扇区地形最吻合、并通过塔架基础的平面的最大倾角；**连接塔架基础和扇区内的每个地形点的直线的最大倾角。

图1 评估区域图解，俯视图

场地标定可以量化并潜在地降低地形和障碍物对功率特性测试和载荷测试的影响。场地标定完成后可以得到测试地形的气流校正系数α。

场地标定的具体做法是：在测试风电机组安装前或风电机组移开后树立2个测风塔，一个位于参考位置处，这个测风塔也可用于功率特性测试或载荷测试，另一个位于风电机组位置处。测试至少需要2支风速计，一个风向标和一个数据处理/记录系统。实际测试过程中，风速计和风向标的数量也可适当增加。测风设备的安装方式为：参考位置测风塔上安装一支风速计和一个风向标，风机位置测风塔安装一支风速计。参考位置测风塔的风速计测得的10min风速平均值为Vref,风机位置测风塔测得的10min风速平均值为Vwt。由此得到的气流校正系数α：

在场地标定完成后，把风机位置的测风塔移走，根据气流校正系数α及测风塔位置的风速Vref即可反推出风机位置的风速Vwt，该风速就是功率特性测试和载荷测试中所需的风速。

参考位置测风塔上的风速计和风向标可以用于功率特性测试或载荷测试，但要在同一次校准活动中进行校准。参考位置测风塔与风机位置测风塔高度应在风机轮毂高度的±2.5%范围内。

2 数据的统计与处理

2.1 数据的统计

数据采集过程中，应定期观察数据采集数量是否满足要求。数据的统计采用区间分析法，即数据按风向分类，一般每10°为一个测量扇区，以10 min内的风速和风向数据平均值进行统计，并把风速按4~8 m/s和8~16 m/s2个风速区间划分。

附件是某风场的场地标定测风数据，经过一段时间的测试，得到的标定结果图2~4。

图2 气流校正系数散点图

图3 由区间分析法得到的气流校正系数

图4 按风向区间划分的数据量

IEC标准认为，根据4~16m/s风速得到的气流校正系数即可代表该风向区间内的地形特征。在之后的功率特性或载荷测试中，如果该风向区间内的风速小于4m/s或者大于16 m/s，仍然乘以该风向区间的气流校正系数以得到风机位置的真实风速。此外还有几点需要说明。

1）在IEC61400-12-1标准中规定，4～8 m/s和8~16m/s2个风速区间每个区间数据至少有36个(6 h)，且总的风速区间4~16m/s内，数据量至少达到144个(24 h)视为数据采集完毕。

2）扇区的起始角度可以不以0°开始，如-5°～5°，5°～15°……345°～355°也是可以的。

3）扇区范围的开区间和闭区间可以互换，如（0°，10°]也可按[0°，10°）统计计算。

2.2 数据的处理

在数据处理分析过程中，需要考虑测试风电机组20倍风轮直径内风电机组的数量、位置、风轮直径及其他障碍物的位置，高度等，根据IEC61400-12-1计算出测试风电机组的可用扇区，再结合实际场地标定时，每个可用扇区内数据采集是否完毕，相邻的两个扇区气流校正系数差别不大于0.02这2个条件，得到最终的可用于功率特性和载荷测试的可用扇区。

以该风场为例，只考虑测试风电机组与其他相邻风机的相对位置，其可用扇区为：0°～60°，但在40°～50°风向区间内4～16m/s的数据量小于144，50°~60°风向区间内4~16m/s的数据量小于144，4~8m/s的数量小于36，且气流校正系数改变量0.022 8>0.02，故区间内的数据予以剔出，最终测量扇区为：0°~40°。表2所示，为最终测量扇区内的气流校正系数。

表2 最终测量扇区内的气流校正系数

在接下来的功率特性和载荷测试中，只保留0°~40°扇区内的数据，其他风向的数据是无效数据，根据0°～40°内参考位置测风塔的风速数据及已经确定的气流校正系数，即可得到可用于功率特性及载荷测试的风速。

3 总结

场地标定的目的是量化地形对于功率特性及载荷测试的影响，目前开展的并不广泛，鉴于我国地形地貌十分复杂，且风电场业主及制造商对两项测试的迫切需求，在未来场地标定必将会较大面积地开展，因此，如何进一步提高场地标定的准确度、规范场地标定的步骤是今后需要研究解决的问题。

[1] 薛扬，秦世耀，李庆.重视开发风电机组检测技术[J].中国科技投资,2008(4):38-40.