风电机组功率特性测量不确定度的量级研究

何中一

（上海中认尚科新能源技术有限公司，上海 201206）

作为表征风电机组性能的重要指标，功率特性是通过对测试期间经过标准化后的有效数据按风速大小进行区间统计而得到的[1-2]。风电测量不确定度评估基于假设：功率测量结果可由一个以测量值为平均值、以标准测量不确定度为标准偏差的正态概率分布来描述其特征。

有关风电机组功率特性不确定度的研究尚不够充分，文献[3]针对风电功率预测准确度问题，研究了一种基于不确定度评定的风电功率预测误差评估机制；文献[4]对于风电场输出功率的不确定度进行了研究，提出了风电概率密度预测方法。

在IEC 61400-12-1：2005[5]、GB/T 18451.2-2012[6]版功率特性测试标准的附录中给出了功率曲线不确定度评估方法，但并没有对引起功率测量不确定度的各种因素的影响程度按大小顺序加以区分，也没有分析合成不确定度的量级。

1 功率不确定度的构成

风电机组功率曲线的测量不确定度是按风速区间分别进行评估的，每个风速区间与平均功率Pi对应的合成不确定度uc，i由A类不确定度分量si和B类不确定度合成结果ui，以平方求和的方式导出。

si与区间样本均值与各采样值的差异的平方求和结果、样本数量有关；ui由4种分量合成得到，其中风速测量引起的不确定度分量uV，i、气温测量引起的不确定度分量uT，i、气压测量引起的不确定度分量uB，i分别通过相应的灵敏度系数cV，i、cT，i、cB，i折算到功率不确定度，uP,i为功率测量装置引起的不确定度分量。

本文主要研究任务是评估ui可能的量级范围及其构成部分的相对影响大小。

2 功率测量引起的不确定度

uP，i包括4个不确定度分量，在功率特性测试标准附录E的示例中，使用了0.5级的电流互感器和0.5级的功率变送器，功率测量量程为-50%Pr~+200%Pr。

若使用0.2级的电流互感器和0.2级的功率变送器直接测量风机发电功率，

3 风速测量引起的不确定度

风速测量引起的不确定度分量uV，i包括5个不确定度分量，cV，i与功率系数的关系为：

定义相邻风速区间的功率系数比：

应用功率特性测试标准第9章表2中给出的数据，可得：

在附录E的示例中，风速测量引起的不确定度分量uV，i按下式估算：

uV，i可简化为：

风速测量对发电功率的不确定度贡献为：

每个风速区间内cV，i＿sim×uV，i＿sim、cV，i×uV，i与区间平均风速的关系如图1所示。风速测量引起的功率不确定度的峰值在中等风速区段出现，可达60kW，相当于被测风机额定功率的6%。

图1 风速测量引起的功率不确定度

减小风速测量对发电功率的不确定度贡献的途径在于控制式（7），关键在于uV1，i、uV4，i，其次是uV2，i。选用高精度风杯式风速计可以显著降低uV1，i至0.025m/s。uV4，i、uV2，i的大小受被测风机所在地形平坦程度的影响很大。本文研究的范围为平坦地形下的功率曲线测量不确定度。将测风塔与被测风机的距离限制在2D~3D，可实现uV4，i低至2%Vi。某型号风杯式风速计在平坦地形下的分级系数低至0.9，而不是式（7）中的1.2。这样可得到应用以上风速不确定度控制手段后，每个风速区间内cV，i＿sim×uV，i＿sim、cV，i×uV，i与区间平均风速的关系，如图2所示。风速测量引起的功率不确定度的最小估计的峰值在中等风速区段出现，相当于被测风机额定功率的4%。

图2 风速测量引起的功率不确定度的最小估计

4 温度测量引起的不确定度

uT，i包括4个不确定度分量，并通过灵敏度系数cT，i折算到功率不确定度。

在附录E的示例中，温度测量对发电功率的不确定度贡献为：

5 气压测量引起的不确定度

uB，i包括3个不确定度分量，并通过灵敏度系数cB，i折算到功率不确定度。

在附录E的示例中，温度测量对发电功率的不确定度贡献为：

6 功率的B类合成不确定度

根据对4个B类不确定度分量相互独立的假设，并对uV，i分别应用附录E中的估计（图1和图2）的最小估计、应用式（1），得到的B类合成不确定度的标幺结果与区间平均风速的关系分别如图3和图4所示。图中，合成不确定度相对于额定功率的百分比ui_calc_2/Pr绘制在次坐标轴上。与风速测量引起的功率不确定度相比，功率测量引起的不确定度、气温测量引起的功率不确定度、气压测量引起的功率不确定度相对较小。

图3 功率曲线的B类合成不确定度

图4 功率曲线的B类合成不确定度的最小估计

从4个B类不确定度分量得到B类合成不确定度的计算过程如图5所示，其中uV,i分别应用了附录E中的估计uV,i(1)和图2中的最小估计uV,i(2)，显示出减小风速测量引起的不确定度分量对于降低B类合成不确定度的意义，同时也可看出应用最先进的传感器，并且在平坦地形下测试能够得到的最小B类合成不确定度的量级。

功率测量的4个B类不确定度分量中，首先影响最大的是风速测量引起的不确定度分量，并且峰值出现在中等风速区段。其次是功率测量引起的不确定度分量，其峰值仅为风速测量引起的不确定度分量的1/10，温度测量引起的不确定度分量在风机满发时的峰值接近或略超功率测量引起的不确定度分量峰值，气压测量引起的不确定度分量最小。

7 结论

对风电机组功率测量的B类不确定度分量分别进行了评估，通过引入功率系数比，得到对功率测量影响最大的风速测量不确定度分量中、风速灵敏度系数的简化估计方法。通过在平坦测试场地并使用高精度的风速传感器，可将功率的B类合成不确定度峰值的标幺结果从6%降至4%。使用更高准确度等级的功率变送器和电流互感器，对于降低功率测量的B类合成不确定度的贡献极为有限。