一种风力发电机组功率曲线的验证方法

刘阳林，叶小广，杨超，刘庆超

一种风力发电机组功率曲线的验证方法

刘阳林1，叶小广2，杨超1，刘庆超2

（1.华电福新能源股份有限公司云南分公司，云南昆明650228；2.华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

在风力发电的过程中，风电机组的功率曲线是评价风力发电机组性能优劣的一项重要指标，关系到风机的实际发电性能和风电场的实际效益。基于IEC61400-12标准，利用SCADA系统记录的风速-功率数据，对某风场在役风机功率曲线进行了验证，并依据实测的风速-功率对测试风机的性能做了定性的对比和评估。

SCADA；实测数据；功率曲线；性能评估

0 引言

在绿色能源成为整个能源体系不可或缺的一部分的今天，风能作为一种永续性的清洁能源正逐渐成为国家能源发展战略的重要组成部分[1]。国家风电“十三五”规划指出，2020年风电装机将达4200亿kW，占总发电量的6%，期间风电建设总投资将达到7000亿元以上。

整个风电行业迅速发展，我国已经成为全球最大的风电市场，在产业发展中，业主方和设备供应方在达标投产验收、出质保验收等环节需要进行一系列的机组评估工作。功率曲线是考核机组性能、评估机组发电能力的一项重要指标。目前的标定方法是按照IEC61400-12进行操作[2-4]。在实际运维过程中，功率曲线的准确性有着重要意义，若功率曲线过多高于保证曲线，机组将处于过负荷运行状态，影响机组寿命。若过多低于保证功率曲线，将极大的影响发电量。

为了评估风机实际性能，本文提出一种机组功率曲线的验证方法，该方法按IEC标准，结合机组运行数据，对某风电场在役风机实际功率曲线进行测定，并定性分析其发电性能。

1 测试风机选取

参考相关标准测试风机选取原则如下：

1）目标机组在测试期间故障率较少；

2）叶片不应有砂眼等缺陷；

3）风机其他部件完好，运行稳定可靠；

4）主风向上风向无明显障碍物。

2 数据采集和对比

2.1 数据的采集

功率曲线验证的关键因素之一是风速测量，由于受到尾流等因素的影响导致封基自身测得的风速数据并不准确。而测风塔则受到地形、塔影效应等诸多因素的制约，对实测风速的测量结果也带来了相当大的不确定性。故本文采用高精度的激光雷达测风仪来对风速进行测定。

2.2 风速数据对比

风机SCAD A风速为风机轮毂高度处叶轮后测得的风速，为更方便地对激光雷达测风仪及风机SCAD A风速进行比较分析，剔除失测及无效数据后，对测试期间激光雷达测风仪轮毂高度处的实测风速与同期风机SCA DA风速相关性及平均风速对比如图1和表1所示。

两者相关性函数为y=1.04x，R2=0.96，相关性较好。

由表1可知激光雷达测风仪轮毂高度处的风速大于风机SCA DA风速，相差达0.31m/s。

图1 实测风速与风机S C A D A风速相关性

表1 激光雷达测风仪风速与SC A D A风速对比

2.3 功率数据对比

表2 实测和风机SC A D A功率对比

图2 实测功率与风机S C AD A功率相关性

测试期间风机功率由功率测试仪实测和风机SCAD A系统分别采集，功率测试仪安装在测试风机箱变低压侧，两种功率数据采集时间与激光雷达测风仪采集时间保持同步，功率测试仪精度等级符合相关标准要求。

测试期间实测功率与风机SCAD A功率平均值对比见表2。

对比发现，实测平均功率与风机SCAD A平均功率基本相等，二者相差1kW。

实测功率与风机SCAD A功率相关性如图2所示。

二者相关性函数y=0.996x，R2=0. 9993，相关性较好。由此表明测试的准确性，可以作为功率曲线评估的参考。

3 数据标准化

由于厂家提供的是基于特定空气密度下保证功率曲线，故按照相关标准需对风速进行标准化处理，由激光雷达测风仪所测得的大气压强、温度与湿度数据计算得到的测试期间实际空气密度，空气密度计算方法依据IEC61400-12-1标准执行。

实际空气密度ρ根据测风仪所测的大气温度T，相对湿度Φ和大气压力B，用下式计算得出：

式中ρ—空气密度，kg/m3；

B—大气压力，Pa；

T—绝对温度，K；

Φ—相对湿度，取0＜Φ＜1；

R0—干燥空气的气体常数，取287.05J/kgK；

Rw—水蒸汽的气体常数，取461.5J/kgK；

Pw—蒸汽压力，Pa。

其中：将激光雷达测风仪所测的大气压力、大气温度和相对湿度通过式（1）和式（2）计算得到10m in实际空气密度，见表3。

表3 测量期间平均空气密度

按照IEC标准对风速标准化处理，依据下式对风速进行标准化处理：

式中Vn—折算后的风速值，m/s；

V10min—测得的10m in平均风速值，m/s；

ρ10min—所得到的10m in平均空气密度，kg/m3；

ρ0—标准空气密度，kg/m3。

经过标准化处理，激光雷达测风仪测试机组轮毂高度处风速变化前后结果见表4。

表4 风速标准化处理后结果

4 功率曲线验证

4.1 实际功率曲线

按照IEC标准要求[2]，按以下原则剔除测风仪异常情况、停机、故障时间段内及测量扇区之外等的数据，具体需剔除以下数据：

（1）风速以外的其他外部条件超出风机的运行范围；

（2）风机故障引起风机停机；

（3）在测试或在维护运行中人工停机；

（4）激光雷达测风仪故障；

（5）干扰扇区的数据；

（6）弃风限电以及自身限电期间数据。

将测试风机风速、功率参数按照上述剔除规则进行剔除，处理后的数据散点图如图3所示。

图3 风机轮毂高度风速及实测功率散点图

图4 IG B T过温限功率散点

图3中，深色原点为剔除数据，浅色星点为保留数据。其中，在低风速段有一部分测风仪精度降级予以剔除。在功率为1500kW附近有大量的散点被剔除，这是由机组自身IG BT过热限功率造成。经统计限功率时间总长为93.7h，通过与保证功率曲线对比，限功率时间段内损失发电量为8871.88kW h。

数据标准化后，参照标准，将所选数据组采用区间法存储，风速范围划分为测试风机切入风速以下1m/s起，以0.5m/s整数倍的风速为中心，左右各0.25m/s的连续区间，分别计算各区间平均风速和平均功率。

4.2 与保证功率曲线对比

将风机保证功率曲线处理成区间化的功率曲线表，绘制成对应功率曲线，如下图所示。

图5 基于测试风机轮毂高度处风速的实测功率曲线、S C AD A功率曲线与厂家保证功率曲线对比

由图5可以看出基于测试风机轮毂高度处风速的实测功率曲线、SCA D A功率曲线在中低风速段均略高于厂家提供的保证功率曲线；在高风速段略低于厂家提供的保证功率曲线。可能原因是：1）厂家在投标过程中提供的功率曲线是静态功率曲线；2）测试时湍流情况与厂家保证功率曲线所考虑的湍流情况不一致。

5 结语

为对机组功率曲线进行科学可靠的验证，本文提出一种结合风机实际运行数据与测量数据的功率曲线验证方法。实验证明，该方法可以正确的测量机组功率曲线，有助于发现机组实际功率曲线与保证功率曲线之间的差异。后续研究中，可以进一步挖掘机舱后风速仪测量风速与实测风速之间的关系，为风电机组的评估提供参考依据。

[1]W orld W ind Energy Association.W ind Energy International 2009～2010[M].Bonn:W orld W ind Energy A ssociation,2009.

[2]W ind Turbines Generator System s Part 12：W ind turbine Pow er Perform ance Testing[S].IEC

[3]焦渤，薛扬，李庆，等.风电机组功率特性和载荷测试场地标定方法[J].电网与清洁能源，2011，27（4）：54-56.

[4]马平，刘昌华.风力发电机组功率曲线的验证[J].可再生能源，2008，（6）：82-83.

[5]王钤，潘险险，陈迎，等.基于实测数据的风电场风速-功率模型的研究[J].电力系统保护与控制，2014，（42）：23-27.

修回日期：2016-12-02

构皮滩水电站第一级升船机厂内机电联调试验通过验收

2017年3月8日至10日，由杭州国电机械设计研究院有限公司承担的贵州乌江构皮滩水电站第一级升船机厂内机电联调试验在江苏武东顺利通过验收。

验收组听取了厂内机电联调安装、调试、监造情况及构皮滩水电站升船机项目管理情况的汇报，查阅了文件资料，并进行了现场检测。经审查评定认为，试验资料详实、齐全，同意通过验收。此次验收设备含8套高速驱动装置、8台减速器、16套卷筒装置及相关设备。

来自杭州国电机械设计研究院有限公司、华电郑州机械设计院有限公司、贵州乌江水电开发有限责任公司、构皮滩电站建设公司等相关单位人员参加验收。

A Method to Verify the Wind Speed-power Curve of Wind Turbine

LIU Yang-lin1，YE Xiao-guang2，YANG Chao1，LIU Qing-chao1
（1.Yunnan Huadian New Energry Co.，Ltd，Kunming 650228，China；2.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

In the processofwind powergeneration,the pow ercurve ofwind turbine is an im portantindex to evaluate the perform ance ofthe wind turbine,w hich is related to the actualperform ance ofthe wind turbine and the actualbenefitsof the wind farm..In this paper,based on the IEC61400-12 standard,the w ind speed pow erdata recorded by the SCAD A system isused to verify the powercurve ofwind turbinesin a wind farm.And the perform ance ofwind turbine generatorisevaluated according to the m easured w ind speed-pow ercurve.

SCAD A；m easured data；pow er curve；perform ance evaluation

TM 315

B

2095-3429（2017）01-0059-04

2016-06-20

刘阳林（1968-），男，助理工程师，从事风力发电运行、风电机组故障诊断和检修工作。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.014