文 | 王明軍

風電機組功率曲線與發(fā)電量淺析

文 | 王明軍

在設計評估或設計認證時，國內大部分整機制造商并未對機組功率曲線進行現(xiàn)場測試。理論功率曲線大都通過設計仿真獲得，但由于現(xiàn)場風況、傳動鏈阻尼、系統(tǒng)測風等因素的影響，機組的實際功率曲線與理論功率曲線會出現(xiàn)差異。在同一風電場，同種機型的不同機組也會因風況差別造成機組的運行功率曲線和發(fā)電量的不同。

寧夏某風電場有國產(chǎn)機組和進口機組兩種機型，它們之間的平均年發(fā)電量存在差別，進口機組的單機平均年發(fā)電量高出約10%，風電場業(yè)主則認為：功率曲線問題是造成國產(chǎn)機組發(fā)電量低的根本原因。因此，國產(chǎn)機組逾期（5年）不能出保，在國產(chǎn)機組生產(chǎn)廠家給業(yè)主賠付了高額的發(fā)電量損失后，機組才最終得以出保。本文對該風電場兩種機型部分機組的運行功率曲線和發(fā)電量數(shù)據(jù)進行比較，結合塔筒高度、機組布局等因素進行分析，找出國產(chǎn)機組發(fā)電量低的根本原因。

風電機組功率曲線

一、功率曲線的定義

功率曲線是風電機組的重要運行性能指標。所謂功率曲線就是以風速vi為橫坐標、以有功功率Pi為縱坐標的一系列規(guī)格化數(shù)據(jù)描述vi和Pi關系的特性曲線。

在標準空氣密度（ρ＝1.225kg/m3）條件下，風電機組的輸出功率與風速的關系曲線稱為該風電機組的標準功率曲線。通常情況下，風電機組出廠時，制造商會向用戶提供標準功率曲線。然而，由于風電場機組的實際運行條件與設計條件不同，勢必導致機組的實際功率曲線與標準功率曲線不一致。

針對風電機組功率特性的測試與評估，我國制定了國家標準GB/T 18451.2-2012《風力發(fā)電機組功率特性試驗》。由于風速、風向變化的不確定性，特別是山區(qū)地形的復雜性，使得測試風電機組功率曲線，仍然存在較多的困難。目前相關的測試方法和標準仍在不斷完善中。

二、實際運行功率曲線的形成及影響因素

風電機組的實際運行功率曲線不僅反映機組性能，還反映了機組的實際工作狀態(tài)（如風速、風向傳感器是否存在事故，主控參數(shù)設置，葉片狀態(tài)等）和實際工作條件（如是否限電、湍流強度大小等），會隨風況條件的不同而產(chǎn)生差異，從而決定了風電場機組實際運行形成功率曲線的多樣性與復雜性。因此，在通過風電場的機組運行功率曲線考察機組性能時，有著嚴格的限制條件及規(guī)定,存在諸多困難。

從實踐來講，在通常情況下，反映機組性能的實際運行功率曲線，其形成需要一個較為漫長的時間過程。因客觀條件的限制，機組在較短的時間內，不能形成較為完整、準確反映其性能的功率曲線。GB/T18709-2002《風電場風能資源測量方法》規(guī)定，風電場風能資源測量時，測量數(shù)據(jù)的采集應滿足連續(xù)性和完整性的要求。現(xiàn)場測量應連續(xù)進行，不應少于1年；現(xiàn)場采集的測量數(shù)據(jù)完整率應達到98%以上。采集數(shù)據(jù)的時間間隔不宜超過1個月。

根據(jù)國家標準GB/T18709-2002《風電場風能資源測量方法》和GB/T18710-2002《風電場風能資源評估方法》制定的《風電場風能資源測量和評估技術規(guī)定》(發(fā)改能源[2003]1403號)中要求：“現(xiàn)場測量收集數(shù)據(jù)應至少連續(xù)進行一年，并保證采集的有效數(shù)據(jù)完整率達到90%以上”。同理，在考察風電場機組的實際運行功率曲線時，不僅要考察每臺機位的湍流強度等風況條件和地形條件，還需考慮數(shù)據(jù)的有效性和完整率。不反映機組性能的數(shù)據(jù)，應予以刪除。在風電場限電或其他條件下限功率生成的功率曲線數(shù)據(jù)，不能作為考核機組性能的有效數(shù)據(jù)、計入機組功率曲線的統(tǒng)計之中。因此，目前因長時間限電，我國不少風電場難以達到測試機組功率曲線的連續(xù)性和完整率要求。

由于風電機組的實際運行功率曲線受到風電場風況和形成條件的影響，風電機組在不同工況和條件下形成的功率曲線是不同的。一臺性能優(yōu)異的風電機組，在風況較差的條件下，形成的功率曲線完全可能達不到理論值，發(fā)電量低于其他同類型風電機組。

根據(jù)負載的性質，負載的大小以及風電機組安裝現(xiàn)場的風速、風向、地形等情況的不同，風電機組的功率曲線是一組而不是一條。也就是說，同一臺機組會因條件（如時間、季節(jié)、位置、限負荷等）的改變形成一系列不同的功率曲線。同時，機組的傳感器精度、機組控制器種類與質量、控制參數(shù)、風速傳遞函數(shù)以及功率曲線生成軟件的差異等也會造成機組實際運行功率曲線的不同。

因此，在機組傳感器精度、機組控制器（主控）硬件、主控控制參數(shù)、風速傳遞函數(shù)和功率曲線形成軟件相同的情況下，利用較長時間形成較為完整的功率曲線，可以對比不同機組的實際運行效率。在綜合考慮功率曲線數(shù)諸多影響因素的前提下，可以把風電場不同機組形成的功率曲線進行比較，并能大致考察出機組的實際性能。

三、機組運行功率曲線與發(fā)電量

功率曲線是風電機組發(fā)電效率的一種表述，從這個意義上講，功率曲線優(yōu)劣會直接影響到機組的發(fā)電量。然而，機組發(fā)電量除受到機組功率曲線影響外，還受到湍流強度、機組之間的尾流、塔筒高度、機組布局、當?shù)氐哪昶骄L速、當?shù)氐目衫蔑L速和機組利用率等諸多因素的影響。標準功率曲線優(yōu)劣僅是機組發(fā)電量高低的必要條件，而與風電場機組實際發(fā)電量的高低沒有必然聯(lián)系。

圖1 整個風電場33臺機組分布圖及變電所位置

單機年發(fā)電量為年平均等級風速（有效風速范圍內）的風速小時數(shù)乘以此風速等級的風電機組輸出功率的總和。其計算公式為：

式中，G為發(fā)電量，kWh；Ni為相應風速等級出現(xiàn)的全年的累計小時數(shù)，h；Wi為風電機組此等風速下對應的輸出功率， kW。

因此，可以根據(jù)機組功率曲線和該機位風頻計算出風電機組的年發(fā)電量。但是，計算所采用的風電機組功率表或功率曲線圖必須是廠家提供的，并由權威機構測定的風電機組功率表或功率曲線圖。另一方面，也可以通過機組的年發(fā)電量和該機位的風頻計算出風電場機組的實際運行功率曲線。

實例分析

寧夏某風電場共有風輪直徑均為77米的1.5MW風電機組33臺，其中國產(chǎn)機組11臺，進口機組22臺，2008年投運。風電場建造在戈壁上，少有植被，地勢較為平坦，如圖1所示，機組分布在110kV升壓站的一側，整個風電場呈不規(guī)則的塊狀分布。風電場周圍沒有高大建筑物，沒有森林樹木，也沒有較明顯土丘之類的障礙物或其他風電場。

該風電場四季溫差大、干旱少雨，風向季節(jié)性明顯，秋冬以北風和偏西風為主，春夏以東南風和偏南風為主，但沒有明顯的主風方向。風速較低時，風向變化頻繁；風速較高時，風向較為穩(wěn)定。風速也有較明顯的季節(jié)性，一般春季最大，冬夏季次之，秋季最小。

下面對國產(chǎn)、進口兩種機型中，年、月利用率在98%以上的國產(chǎn)2#、進口21#和進口28#三臺機組的實際運行功率曲線與發(fā)電量進行比較和分析。

一、兩種機型機組的功率曲線比較

兩種機型均采用ALSTOM變頻器和國外廠家生產(chǎn)的直流變槳系統(tǒng)；機組的風向標、風速儀、機組控制器（WP3100）和后臺軟件（Gateway）均來自丹麥Mita控制器廠家。

如表1所示，比較國產(chǎn)2#與進口21#兩臺機組的功率曲線運行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在風速低于13米/秒時，國產(chǎn)2#機組形成的功率曲線優(yōu)于進口21#機組。然而，從兩臺機組的發(fā)電量統(tǒng)計來看，不少時段國產(chǎn)2#機組的年發(fā)電量卻比進口21#機組低。由此看來，機組年發(fā)電量的高低，不完全由功率曲線決定。

在同一風電場的風電機組，因機位不同，風況存在差異。通過實際運行功率曲線比較機組性能，存在一定的不足和局限性。但僅從機組運行生成的功率曲線來看，國產(chǎn)機組的運行效率并不比進口機組差，且普遍優(yōu)于進口機組。

表1 國產(chǎn)2#與進口21#機組的運行功率曲線比較

表2 國產(chǎn)2#機組與進口28#機組30日的發(fā)電量比較

二、兩種機型機組的平均年發(fā)電量的分析與比較

此風電場22臺進口機組平均年發(fā)電量比11臺國產(chǎn)機組的平均年發(fā)電量高出約10%。但是，并非所有國產(chǎn)機組的發(fā)電量均低于進口機組，國產(chǎn)2#機組年發(fā)電量就高于進口28#機組。

如圖1所示，2#機組布置在風電場的西北角上，在多個方向上可以降低或不受其他機組尾流的影響；28#則處于風電場眾多機組中間偏南的位置，在多個風向上，均或多或少地要受到其他機組尾流的影響。

如 表 2所 示，21、22、24、25、26、27、28、31、3、4日， 這 10天，國產(chǎn)2#機組的日發(fā)電量比進口28#機組低，而其余20天國產(chǎn)2#機組的日發(fā)電量均高于進口28#機組。國產(chǎn)2#機組30日的總發(fā)電量為187796 kWh，進口28#機組為164213 kWh，國產(chǎn)2#機組高于進口28#機組。機組的日發(fā)電量有時差別巨大， 27、3、4日進口28#機組的日發(fā)電量遠超過國產(chǎn)2#機組，均是國產(chǎn)2#機組的2.5倍以上；而30、2、7、8、9、15、17日國產(chǎn)2#機組高出進口28#機組很多，其中30日和17日的國產(chǎn)2#機組的發(fā)電量是進口28#機組的2倍左右。

如圖2、圖3所示，比較國產(chǎn)2#機組與進口28#機組在12個月的年發(fā)電量可知，2、5、6、7、9這幾個月，國產(chǎn)2#機組發(fā)電量低于進口機組，其余月份均高于進口28#機組。8月的發(fā)電量差別最為明顯，國產(chǎn)2#機組的發(fā)電量為164429 kWh，進口28#機組僅為87545 kWh，約為國產(chǎn)2#機組的一半。2#機組的年發(fā)電量為2755920 kWh，28#機組為2674012 kWh，國產(chǎn)2#機組略高于進口28#機組。

下面就造成兩種機型的機組平均年發(fā)電量差別的原因進行分析和探討。

（一）塔筒高度

塔筒高度是造成國產(chǎn)機組發(fā)電量低的關鍵因素，進口機組的輪轂中心高度為85米，而國產(chǎn)機組的輪轂中心高度為70米。由于塔筒高度不同，造成了兩種機型機組的發(fā)電量差別。在近地層中，風速隨高度有顯著變化。但由于地面粗糙度不同，風速隨高度的變化也就不同。大氣低層常用指數(shù)公式表示風速和高度與地面粗糙度的變化關系：

式中，Vh為在高度Xh處的風速；V0為在高度X0處的風速；α為指數(shù)，它與地面粗糙度有關。我國常用的α值分為三類：0.12、0.16、0.20。在三種地面粗糙度下，兩種塔筒高度在輪轂中心高度處所對應的風速Vh/V0之比分別為102.36%、103.16%、103.96%，又因風能與風速的三次方成正比，則在同樣風輪直徑、同樣機組效率情況下，進口機組的單機平均年發(fā)電量應比國產(chǎn)機組的單機平均年發(fā)電量分別高 出7.24%、9.77%、12.36%。 即 因塔筒高度不同，進口機組的單機平均年發(fā)電量高出國產(chǎn)機組應在7.24%到12.36%之間。

從以上分析可知，兩種機型塔筒高度的不同是造成單機平均年發(fā)電量差別的主要原因。

（二）機位布局及不同塔筒高度機組混合安裝

圖2 國產(chǎn)2#機組2009年12月至2010年11月的月發(fā)電量統(tǒng)計

圖3 進口28#機組2009年12月至2010年11月的月發(fā)電量統(tǒng)計

如果風電機組串列布置是指下游風電機組風輪旋轉軸線與上游風電機組風輪旋轉軸線重合的情況。機組之間的距離為X，風輪直徑為D，當X/D＝4時，計算得到的最大風輪功率系數(shù)為沒有尾流影響的45%左右；當X/D＝6時，為65%左右；當X/D＝8時，為75%左右；而當 X/D＝16時，為97%左右，尾流影響基本可以忽略。

該風電場地勢較平緩，不同機位的海拔高度基本一致，機組風輪直徑均為77米，機位之間距離大都不足500米。即X與D之比大都小于6.5，且不同塔筒高度混合安裝，這樣，將對機組的發(fā)電量產(chǎn)生重要影響。由表2和圖2、圖3中的機組運行數(shù)據(jù)可知，隨著風電場風向的變化，上游機組尾流的影響也不斷變化，從而造成了國產(chǎn)2#與進口28#兩機組之間的日發(fā)電量和月發(fā)電量差別的不斷變化。

究其原因：首先，上游機組吸收能量，造成下游國產(chǎn)機組發(fā)電量低；其次，尾流效應造成能量損失；第三，當上游機組為高塔筒的進口機組，下游為低塔筒的國產(chǎn)機組時，與下游為相同塔筒高度的進口機組相比，受上游機組尾流影響增加，下游國產(chǎn)機組的發(fā)電量損失更多；相反，當國產(chǎn)機組處于上游，進口機組處于下游時，因上游機組塔筒高度較低，則尾流對下游高塔筒機組的影響減弱，進口機組發(fā)電量損失相對較小。

在該風電場，有的國產(chǎn)機組安裝在塔筒較高的多臺進口機組中間，勢必造成國產(chǎn)機組的發(fā)電量損失更大；部分國產(chǎn)機組雖安裝在風電場的最外側，但因該風電場沒有明顯的主風方向，當風向變化、國產(chǎn)機組處于進口機組下游時，會加劇國產(chǎn)機組的發(fā)電量損失。

正是上述原因造成了2#機組與28#機組日發(fā)電量和年發(fā)電量的差距。進口28#機組安裝在眾多機組當中，在各個方向上都或多或少地受到上游機組尾流的影響，有20天的日發(fā)電量均低于國產(chǎn)2#機組；當2#機組不受或很少受到上游機組尾流影響，而28#機組受上游機組的尾流影響嚴重時， 如30、2、7、8、9、15、17 日，2# 機組的日發(fā)電量高出28#機組很多，其中30日和17日的日發(fā)電量差距最大，為28#機組的2倍左右；然而，當28#機組受尾流影響較小，2#機組受上游機組尾流影響嚴重時，在27、3、4日28#機組的日發(fā)電量則是2#機組的2.5倍以上。28#機組機位受到上游機組尾流的嚴重影響，致使28#機組發(fā)電量大大降低，與此同時，2#機組則因少受或不受上游機組尾流的影響，由此帶來的發(fā)電量損失較小，造成了8月份28#機組的月發(fā)電量僅為2#機組的一半左右。從全年來看，由于上游機組尾流作用，低塔筒的2#機組年發(fā)電量高于高塔筒的28#機組。比較2#與28#機組發(fā)電量還可以看出，隨著風向的變化，每天、每月上游機組尾流對兩臺機組的影響會隨之變化，兩臺機組之間的相對發(fā)電量也發(fā)生變化。風電場的風向每年都有差別，風電場各機組之間的相對年發(fā)電量高低也會因此而發(fā)生變化。

因此，該風電場把不同塔筒高度機組混合安裝后，因上游機組的尾流影響，使得國產(chǎn)機組的發(fā)電量損失加劇，而進口機組發(fā)電量損失相對較小。進一步加劇了兩種機型之間的年發(fā)電量差別。

（三）國產(chǎn)機組的利用率略低于進口機組

該風電場的國產(chǎn)機組，其機架、葉片、齒輪箱和發(fā)電機等部件均是國內生產(chǎn)，單臺機組的采購成本比進口機組大約低400萬元。由于機組國產(chǎn)化、國產(chǎn)整機廠家的維修和風電場管理水平等因素的影響，國產(chǎn)機組的利用率略為偏低。

考慮了塔筒高度、機組布局以及機組利用率等對機組年發(fā)電量的影響后，進口機組的單機平均年發(fā)電量應比國產(chǎn)機組高10%左右，這與該風電場多年的實際發(fā)電量統(tǒng)計完全吻合，因此，國產(chǎn)機組與進口機組的實際運行效率基本一致，國產(chǎn)機組不存在功率曲線問題。

結論

兩種機型的塔筒高度不同、不同塔筒高度機組混合安裝以及機組利用率等造成了進口機組的單機平均年發(fā)電量高出國產(chǎn)機組約10%；而非機組功率曲線問題引起。

由本文分析可知，風電機組性能及功率曲線優(yōu)劣，與機組發(fā)電量高低沒有必然的聯(lián)系。風電場的機組運行功率曲線受氣候、地形等各種外界影響因素較多，難以簡單地通過現(xiàn)場機組運行功率曲線對機組性能實施較為準確地評估。然而，機組發(fā)電量除受機組功率曲線的影響外，還受到其他各種外界因素的影響，尤其是受上游機組的尾流影響不容低估。因此，我們在風電機組設計和風電場微觀選址時，應注重塔筒高度的選擇和機組布置的合理性等，以提高發(fā)電量、延長機組的部件壽命，避免不必要的經(jīng)濟損失。

（作者單位：東方電氣風電有限公司）