风电场空气密度对风电机组发电量影响的研究

文 | 刘丽丽

风电场空气密度对风电机组发电量影响的研究

文 | 刘丽丽

近年来，随着风电机组设计水平的不断提高，变速恒频的风电机组已逐渐成为风电机组厂家的主流设计方案，其特点在于风电机组叶轮转速允许根据风速情况在相当宽的范围内变化，从而使得风电机组获得最佳的功率输出。然而，在风电机组的实际运行过程中，风电机组输出功率不仅与风速有关，还会受到风电场空气密度的影响。

目前，大多数风电机组制造商在选择风电机组的控制策略时，仅根据风电场年平均空气密度来确定单一的控制策略，很少考虑空气密度变化对风电机组输出功率产生的影响。鉴于中国复杂的地形环境，同一地区空气密度随时间推移波动较大，导致风电机组输出功率达不到厂家设计的最优输出功率值，因此风电机组制造商在设计风电机组时，应该根据风电场随全年空气密度变化的实际情况，分析不同控制策略对功率产出的影响，调整并优化风电机组控制策略，确保风电机组尽可能多地捕获风能。

风电机组控制策略

风电机组的控制系统（图1）是通过对控制器进行设计，选择与风电机组运行相匹配的控制策略，控制风电机组使其在各种风况下均能获得最佳的功率输出，同时确保控制过程的动态稳定性。

简言之，风电机组的控制策略描述的就是风电机组根据功率－转速－转矩平面坐标关系达到稳态理想功率曲线的过程，即在风电机组运行范围内每个风速下的转矩（或功率）和转子速度的稳态值问题，如图2所示。

从图2可以看出，风电机组在运行过程中，只有在最佳转矩T的状态下，才能获得最大输出功率P。无论风电机组运行转矩大于或小于最佳转矩T，都会出现实际输出功率小于最大输出功率P的状况。

空气密度与转矩的关系

空气密度与转矩的关系式：

空气密度与转矩成正比，当风电场空气密度发生变化时，转矩也会随之改变。在风电机组的实际运行过程中，风电场空气密度随时间推移发生改变，转矩受到风电场空气密度变化的影响，也随之发生改变，从而偏离厂家设计的最佳转矩，风电机组输出功率也就达不到厂家设计的风电机组控制策略中的最大输出功率值，必然会存在发电量的损失情况。

实例分析

本文根据中国的地理状况，选取南方沿海、北方内陆两个具有代表性的风电场开展研究，分析不同地域风电场中风电机组输出功率受空气密度的影响程度，为风电机组确定不同的控制策略，以达到当地空气密度下的最优发电量。

图1　风电机组的控制系统

图2　风电机组转速与转矩、功率曲线图

本文利用某风电机组厂家提供的当地年平均空气密度下的功率曲线，与风电场每月空气密度下实际输出功率作对比，分析每月功率损失值，最终得出全年因空气密度影响导致的发电量损失值。

一、 广东某风电场

根据该风电场的气象站数据库得知，当地多年平均空气密度为1.167kg/m³，每月平均空气密度都偏离此值，因此每月都或多或少存在功率损失情况。每月平均空气密度情况见表1。

根据图3中该风电场每月空气密度的变化情况，发现此区域空气密度变化幅度较大，厂家在设置风电机组控制策略时，可以按每月平均空气密度逐月设计之相对应的风电机组控制策略，从而实现风电机组每月都能达到最佳输出功率的状态。

从图4可以看出，只要空气密度偏离年平均空气密度，无论高于或低于年平均空气密度，风电机组输出功率都会低于设计值，出现损失情况；而且实际空气密度偏离年平均空气密度越大，风电机组输出功率损失越多。将每月空气密度下实际输出功率与厂家控制策略中设计的输出功率做对比，发现该风电场全年因空气密度引起的功率损失约0.33%，即全年理论发电量损失约24.75万千瓦时。

表1　广东某风电场每月平均空气密度值

图3　广东某风电场每月空气密度曲线图

图4　广东某风电场风电机组输出功率损失值与月空气密度曲线图

二、黑龙江某风电场

根据黑龙江某风电场的气象站数据库得知（表3），当地多年平均空气密度为1.259 kg/m³，每月平均空气密度都偏离1.259，因此每月都或多或少存在功率损失情况（表4）。

根据图5中该风电场每月空气密度变化的曲线图发现，此区域空气密度变化比较有规律性，厂家在设置风电机组控制策略时，可以根据月平均空气密度变化情况采取半年调整一次机组控制策略的方案，实现每半年都能达到最佳输出功率的运行方式。

从图6可以看出，风电机组输出功率损失值基本上与空气密度偏离年平均空气密度的趋势一致，无论空气密度高于或低于年平均空气密度，风电机组输出功率都会低于设计值，出现损失情况。将每月空气密度下实际输出功率与厂家控制策略中设计的输出功率做对比，发现该风电场全年因空气密度引起的功率损失约0.58%，即全年理论发电量损失约59.4万千瓦时。

表3　黑龙江某风电场每月平均空气密度值

表4　黑龙江某风电场因空气密度变化引起的功率损失表

图5　黑龙江某风电场每月空气密度曲线图

图6　黑龙江某风电场风电机组输出功率损失值与月空气密度曲线图

结语

根据以上两个案例发现，在风电机组的实际运行过程中，只要空气密度偏离厂家提供的风电机组控制策略设计值，风电机组都无法达到其厂家控制策略中最佳设计值，都会存在发电量损失情况。因此风电机组厂家在设计风电机组的控制策略时，不能全年仅采用单一的风电机组控制策略，应该考虑一年内空气密度变化对风电机组输出功率产生的影响，采取一年内按月、季度或者半年多次调整控制策略的方式来优化风电机组的运行，使风电机组尽可能多地处于最佳转矩状态，充分捕获风能，获得最大输出功率。

（作者单位：中国大唐集团新能源股份有限公司）