基于17799曲线的风机功率曲线评价方法研究

王庆伟， 苏　梅， 于文革

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.新疆华电苦水风电有限责任公司，新疆哈密839000；3.中国华电集团公司，北京100031）



基于17799曲线的风机功率曲线评价方法研究

王庆伟1， 苏梅2， 于文革3

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.新疆华电苦水风电有限责任公司，新疆哈密839000；3.中国华电集团公司，北京100031）

摘要：标准功率曲线对于评价风机发电性能具有十分重要的意义。本文结合17799标准功率曲线形成过程的描述以及实际应用的示范，得到一种全新的风机发电机组性能比对的计算方法，对实际生产运行中风机的评价及优化，起到一定的指导作用。

关键词：17799曲线； 标准功率曲线； 实际发电性能对比

0　引言

随着环境的恶化和化石燃料的濒临枯竭，社会对于可再生能源的需求日益增大，在国家大力推进能源消费革命、优化能源结构的背景下，以风电、光伏为代表的新能源在平衡经济建设与环境保护方面发挥着举足轻重的作用。“十二五”期间我国风电等可再生能源产业发展取得突出成绩，截至2015年上半年，全国风电累计并网规模达到1.05亿kW，预计十三五期间有望突破2.5亿kW，市场潜力巨大。

1　出厂标准功率曲线的特点

出厂标准功率曲线指的是在标准情况下（温度15℃，气压1013.3hPa，空气密度1.225kg/m3）风力发电机组输出功率与风速的函数关系，是风电机组的设计依据，也是考核机组性能、评估机组发电能力、预测和计算风电场年发电量的一项重要指标。机组制造商在向用户提供设备时，首先要提交机组的标准功率曲线。按照IEC61400-12标准的定义，风力发电机组的功率曲线是机组输出功率随10min平均风速变化的关系曲线，通过实际测试的方式得到[1，2]。这种测定得到的功率曲线具有独特性，是针对具体的风机和风场来确定的，当用于其他的风场时，仍然需要进行修正和调整。

风机厂家提供的功率曲线基本只能反映机组的稳态运行状况，用来分析风电机组的实际运行状况时却存在着明显的误差[3]。根据实测数据显示，联网运行的风力发电机组并非严格遵循标准功率静态曲线运行，而是在一个较宽的范围内呈散点式动态分布[4]，如图1所示。

对于不同厂家的不同机组而言，根据IEC标准的要求，获得各自的标准功率曲线需要大量的数据和长期的观测作为基础，难以为新机组的设计提供参考。对于不同的风场，自然风的实时风向和风速具备不确定性，特别是地形相对复杂的山区，风况更为复杂，以常规办法较准确地现场测绘功率曲线，并以此考核机组性能是极其困难的[5]。

为得到标准功率曲线，风机厂家需要针对每一种机型进行测试和计算，虽然工作量非常大，但这对于厂家准确的表征各机型性能指标是十分必要的，为发电企业设备选型提供很好的参考依据。然而与此同时，既然各机组实际功率曲线与标准功率曲线均或多或少存在偏差，其投产运营期间评估机组性能，将每一条实际功率曲线分别对比标准功率曲线显得有些事倍功半，而如果存在一条统一的曲线，作为业主评估各风力发电机组实际运行性能的标尺，将会极大的简化发电企业风电各项考核难度，在计算机系统软件编程时，也节省大量的逻辑计算，同时仍能达到考核和评价的目的。鉴于此，“17799曲线”应运而生。

2　“17799曲线”的提出

为得到这条目标曲线。首先以1500kW机组为例进行研究。通过大量的数据对比，发现虽然制造厂商和机型品种繁多，但其原始标准功率曲线的变化趋势具有一定的相似度，这里将其分别绘制在同一平面直角坐标系中，原始纵坐标为额定功率，起点为0kW，终点为机型对应的额定功率，即1500kW；原始横坐标为风速，起点为0m/s，终点为额定功率下对应的风速，如9.9m/s。当达到额定功率后，无论风速如何增加，功率保持额定不变，因此不再考虑该段曲线的变化趋势。见表1。

表1　原始风速-功率关系

如图2所示，可以看出三条曲线的变化趋于一致，只是起点和终点的坐标有所差异，这里采用归一化处理方法。将同一指标下的有量纲量经过等比例变换，转化为无量纲量表达，这里为保证数据的整齐度，归一化处理之后将结果统一乘以10，归一化处理后的风速、功率命名为风速系数和功率系数，其变换式：

式中 x—风速系数；

y—功率系数；

V—风速，m·s-1；

VR—额定风速，m·s-1；

P—功率，kW；

PR—额定功率，kW。

变换后的风速系数与功率系数关系见表2。

表2　归一化后风速系数-功率系数关系表

如图3所示，归一化处理之后，可以看到三条曲线的一致性非常好，几乎重合，因此可以用一条拟合曲线来表示三条线的变化趋势，以表征风速系数与功率系数之间的相对逻辑关系。按照这样的规律，我们选取了足够数量机型的标准功率曲线作为样本，通过同样的方式换算至同一坐标系，发现这种规律依然存在，无论机型或制造厂商是否相同。最终，我们找到一条唯一的拟合曲线用来表示所有1500kW机组的风速系数与功率系数逻辑关系和曲线的变化趋势。

通过分析比较，发现同一厂家的不同额定功率风机其变化趋势趋于一致，各功率曲线之间存在着某种特定的内在联系，如图4所示。当然，按照1500kW机组标准功率曲线的形成方法得到的2000kW、2500kW和3000kW的标准功率曲线，也必定会遵循这一规律，存在统一的逻辑关系。

运用相同的归一化处理方法，对不同功率风机的风速及功率进行变换，得到如图5所示的关系图。

可以看出即使是不同功率的风机，其换算后的风速系数-功率系数曲线依然具备较好的一致性和相似性，通过对大量曲线的拟合，最终得到了统一的标准功率曲线，即“17799曲线”，其表达式为：

该表达式所示曲线即可以定义为风电机组设备制造技术的一般水平，作为评价风机性能优劣的一杆秤，将不同厂家不同功率的曲线与之比对，正偏差为相对优秀，负偏差为相对欠缺。

3　“17799曲线”的应用

为直观了解“17799曲线”的实际应用，我们以国内某大型风机厂家生产的额定功率为1500kW机型为例，进行说明。

3.1标准功率曲线的评价

根据该型号风机的出厂标准功率曲线将“17799曲线”进行缩放，其原始风速-功率见表3。

表3　某机型原始风速-功率关系

根据式（1）、式（2），有：

将式（4）、式（5）代入式（3）中，有：

即为“17799曲线”在该机型出厂标准功率曲线坐标系中的表达式。如图6所示。

可以看出，两条线的位置及变化趋势十分接近，证明该风机的理论性能近似行业一般水平。

3.2实际功率曲线的评价

将该款风机实际风速-功率对应散点图在平面直角坐标系中进行表示，如图7所示，拟合出实际功率曲线，得到其曲线公式：

将该风机实际功率曲线与转换后的“17799”标准功率曲线绘制在同一直角坐标系中，如图8所示。发现该风机各风速下的实际功率均低于“17799曲线”表征的理论功率，表明该款风机实际发电效果不理想。

为量化比较该机型实际功率曲线与“17799”标准功率曲线的具体差异，在某相同风速的情况下将两者功率做差，有：

该差值表示同一风速下实际功率对于标准功率的偏差，而不同风速下分别做差，并进行总量上的累计，定义为功率容积偏差率，则有：

式中 ξ—功率容积偏差率；

V″R—实际额定风速，m·s-1；

V″S—实际切入风速，m·s-1；

V′R—“17799”标准额定风速，m·s-1；

V′S—“17799”标准切入风速，m·s-1。

利 用 MATLAB软 件 计 算 解 得 ，ξ=-0. 20097574370709387。即二者功率容积偏差率约为-20. 1%，表明该款风机在实际运行时较设计值相差较大，需要进行故障排查以寻找功率较低的原因。

4　结语

“17799曲线”不仅形式简洁，代表性强，而且可以

具备很好的伸缩性和延展性，基本适用于一切规格机型的对比，具有极其重要的意义。运用“17799曲线”代替风机标准功率曲线对比实际风速-功率关系，评价风机性能，更有说服力，更能反映该风机在整个行业内的技术水平，为风电机组生产运行优化和提升提供了有力的保障。

参考文献：

[1]IEC Technical Committee 88.IEC61400-12-1 wind turbines[S].HIS， 2005.

[2]GB/T 18451.2-2003，风力发电机组功率特性试验[S].2003.

[3]申新贺，潘东浩，唐继光.大型风电机组功率曲线的分析与修正[J].应用能源技术，2009，（8）：28~32.

[4]郎斌斌，穆钢，严干贵，等.联网风电机组风速-功率特性曲线的研究[J].电网技术，2008，32（12）：70~74.

[5]蔡纯，张秋生.风力发电机组功率曲线的修正[J].广东电力，2003，16 （1）：17~19.

修回日期：2016-03-16

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.002

中图分类号：TM315

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）02-0009-04

作者简介：王庆伟（1986-），男，河北承德人，硕士研究生，工程师，从事新能源开发、设计、检测及研究工作。

收稿日期：2016-01-26

Research on Evaluation Method of Wind Power Curve Based on 17799 Curve

WANG Qing-wei1， SU Mei2， YU Wen-ge3
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Xinjiang Huadian Kushui Wind Power Limited Liability Company，Hami 839000，China；3.China Huadian Corporation，Beijing 100031，China）

Abstract：The standard power curve is great significative for the evaluation of wind turbine performance.Combined with 17799 standard power curve formation process description and application demonstration，we get a new calculation method for comparison of the wind turbine performance，in the evaluation and optimization of operation of wind power production，it plays a guiding role.

Key words：17799 curve； standard power curve； the actual performance comparison