文 | 薛浩寧

后評(píng)估背景

在復(fù)雜地形下，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組處的風(fēng)能資源均是不同的，而機(jī)組的性能表現(xiàn)與所處的風(fēng)能資源情況息息相關(guān)，在后評(píng)估過程中應(yīng)結(jié)合具體的風(fēng)能資源情況評(píng)估機(jī)組的實(shí)際性能。機(jī)位處的空氣密度、風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度影響功率曲線的表現(xiàn)；機(jī)組的控制性能理論上要追蹤機(jī)位處風(fēng)能資源的最優(yōu)控制性能。

2016年，我國風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模為16873萬千瓦，上網(wǎng)電量為2410億千瓦時(shí)；同年美國風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模為8218萬千瓦，上網(wǎng)電量為2240億千瓦時(shí)。在同樣的資產(chǎn)效率下，2016年我國風(fēng)電的上網(wǎng)電量應(yīng)達(dá)到4599億千瓦時(shí)，實(shí)際則較美國低2189億千瓦時(shí)；排除棄風(fēng)限電的影響（2016年棄風(fēng)限電率為17.1%），仍低1692億千瓦時(shí)。這從側(cè)面反映了我國風(fēng)電的資產(chǎn)效率低下，主要與前期設(shè)計(jì)和實(shí)際不一致，存在低效資產(chǎn)、故障頻發(fā)、功率曲線不達(dá)標(biāo)、運(yùn)維效率低下等問題相關(guān)。而要找到以上問題的原因，需要運(yùn)用前期設(shè)計(jì)資料、后期運(yùn)行數(shù)據(jù)等。其中能夠反映機(jī)位點(diǎn)處風(fēng)能資源水平的只能是機(jī)組的SCADA數(shù)據(jù)，它包含風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、空氣密度，但是機(jī)組的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)并不是真實(shí)的。本文將論述這些問題所在，并闡述依據(jù)這些風(fēng)能資源數(shù)據(jù)如何對(duì)機(jī)組的性能進(jìn)行后評(píng)估。

機(jī)艙風(fēng)能資源數(shù)據(jù)處理方法

一、機(jī)艙風(fēng)速的處理方法

由于每臺(tái)機(jī)組上的風(fēng)速儀受到葉輪的擾動(dòng)，風(fēng)速數(shù)據(jù)采集存在偏差，再加上經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行后每臺(tái)風(fēng)速儀的精度不一，造成機(jī)組間的風(fēng)速并不具備可比性。為保證風(fēng)速數(shù)據(jù)具備相同的標(biāo)準(zhǔn)，有必要引入風(fēng)能的概念。風(fēng)能涵蓋了空氣密度、風(fēng)切變、風(fēng)轉(zhuǎn)向、風(fēng)速儀精度。依據(jù)風(fēng)能的概念修正的風(fēng)速需要考慮葉片和傳動(dòng)鏈的差異。但是在相同條件下，葉片和傳動(dòng)鏈的差異通過被認(rèn)為是相同的，可以忽略不計(jì)。

通過繪制某風(fēng)電場功率曲線，并修正風(fēng)速，機(jī)組間的整體標(biāo)準(zhǔn)差變小，說明功率曲線集中度增加，也可以表明此種方法可以消除一定的風(fēng)速不確定性。

二、機(jī)艙風(fēng)向的處理方法

機(jī)組的風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)與機(jī)艙固定，而機(jī)艙要隨風(fēng)偏航，所以，風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)不固定且數(shù)值在N線附近波動(dòng)。以上問題造成機(jī)艙風(fēng)向標(biāo)采集的風(fēng)向并不是真實(shí)的。對(duì)于風(fēng)向數(shù)值的處理，需要將機(jī)艙位置角度加上風(fēng)向標(biāo)與N點(diǎn)夾角。

某風(fēng)電場的某臺(tái)機(jī)組風(fēng)向經(jīng)過修正后與鄰近測風(fēng)塔風(fēng)向分布一致，說明此種方法能夠還原真實(shí)風(fēng)向。

三、輪轂高度處空氣密度的處理方法

由于在風(fēng)電機(jī)組上不能采集實(shí)時(shí)空氣密度，因此，可以根據(jù)公式（1），利用海拔高度和溫度數(shù)據(jù)計(jì)算空氣密度：

圖1 修正風(fēng)速與未修正風(fēng)速功率曲線標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

圖2 測風(fēng)塔風(fēng)向分布（左）與機(jī)艙風(fēng)向分布（右）

式中：

H—輪轂中心的海拔高度；

T10min—10min 平均環(huán)境溫度；

ρ10min—10min 平均空氣密度。

在上述折算計(jì)算中，保證機(jī)組采集的環(huán)境溫度，沒有受機(jī)組的影響。

依據(jù)風(fēng)能資源修正標(biāo)準(zhǔn)化功率曲線

一、空氣密度對(duì)機(jī)組性能的影響及修正方法

在實(shí)際測量中，由于空氣密度對(duì)功率曲線有一定的影響，因此，對(duì)于空氣密度與標(biāo)準(zhǔn)空氣密度存在差異的測試環(huán)境，需要對(duì)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸折算，而對(duì)于處于相同環(huán)境的風(fēng)電機(jī)組可不進(jìn)行數(shù)據(jù)折算。

對(duì)于變槳距風(fēng)電機(jī)組，根據(jù)公式（2）對(duì)10min 平均風(fēng)速進(jìn)行折算：

式中：

N10min—測試周期內(nèi)的10min 平均數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；

ρ0—標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（1.225kg/m3）；

ρ10min,i—第i 個(gè)10min 平均空氣密度；

V10min,i—第i 個(gè)10min 平均風(fēng)速；

Vm,i—第i 個(gè)折算后的10min 平均風(fēng)速。

二、風(fēng)切變對(duì)機(jī)組性能的影響及修正方法

如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子面積上的風(fēng)速是恒定的，輪轂高度上的風(fēng)速將代表風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子面積上的風(fēng)速，并且使用輪轂高度風(fēng)速也是合理的。然而，風(fēng)電機(jī)組輪轂高度上的風(fēng)速對(duì)于大型風(fēng)電機(jī)組來說可能不具有代表性。因此，有必要引入修正，以考慮風(fēng)切變引起的風(fēng)速在風(fēng)輪掃風(fēng)面上的變化。推薦使用機(jī)艙遙感設(shè)備測試實(shí)際的風(fēng)切變數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)子等效風(fēng)速是當(dāng)考慮垂直風(fēng)切變時(shí)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子掃掠區(qū)域的動(dòng)能的風(fēng)速。轉(zhuǎn)子等效風(fēng)速定義為：

式中：

nh—可用測量高度的數(shù)目；

vi—在高度i的風(fēng)速(實(shí)測或依據(jù)風(fēng)切變推算)；

A —由轉(zhuǎn)子掃過的完整區(qū)域（即半徑r為πr2）；

Ai—第i段的區(qū)域，即風(fēng)速Vi代表的段，由方程（2）導(dǎo)出。

通過計(jì)算115/2000型機(jī)組在不同塔架高度和不同風(fēng)切變下等效風(fēng)速與輪轂中心處的風(fēng)速比值，結(jié)果見表1。

表1 115/2000型風(fēng)電機(jī)組的等效風(fēng)速系數(shù)

三、湍流強(qiáng)度對(duì)機(jī)組性能的影響及修正方法

靜態(tài)曲線基本上由所采用的葉片最優(yōu)Cp、λ決定的，是湍流為零的情況下的曲線；動(dòng)態(tài)功率曲線是考慮湍流強(qiáng)度影響的曲線。

低風(fēng)速段：由于相同風(fēng)速下，湍流大，風(fēng)能大，所以理論上動(dòng)態(tài)功率曲線要較靜態(tài)略好；高風(fēng)速段：由于額定功率的限制及變槳控制的介入，理論上動(dòng)態(tài)功率曲線要較靜態(tài)明顯差。

圖3 不同湍流下的功率曲線對(duì)比

圖4 湍流較大與湍流較小情況下的功率曲線對(duì)比

采用概率統(tǒng)計(jì)的方法修正的功率曲線效果如圖3（只考慮湍流的影響，未考慮控制器及慣性等因素的影響）。

風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中湍流較大和湍流較小的情況功率曲線對(duì)比如圖4所示。實(shí)際運(yùn)行情況顯示，在大湍流情況下，低風(fēng)速段功率曲線表現(xiàn)要優(yōu)于高風(fēng)速段，與仿真結(jié)果情況一致。

將實(shí)際運(yùn)行的功率曲線修正至參考湍流強(qiáng)度的方法簡述為：

（1）依據(jù)實(shí)際功率曲線的最大Cp確定實(shí)際的靜態(tài)功率曲線；

（2）依據(jù)測量的湍流仿真時(shí)間序列的數(shù)據(jù)得到P(1)；

（3）依據(jù)參考的湍流仿真時(shí)間序列的數(shù)據(jù)得到P(2)；

（4）測量的功率為P；

（5）參考湍流的修正功率P(3)=PP(1)+P(2)；

（6）對(duì)P(3)和風(fēng)速進(jìn)行10min平均，并用BIN法繪制功率曲線得到最終情況的參考湍流功率曲線。

依據(jù)風(fēng)能資源評(píng)估機(jī)組實(shí)際性能

一、機(jī)艙對(duì)風(fēng)偏差分析

在運(yùn)行過程中，風(fēng)電機(jī)組需要調(diào)整機(jī)艙角度即進(jìn)行偏航，使機(jī)組正確對(duì)風(fēng)，使葉輪垂直于來流風(fēng)向以獲得更高的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，從而得到最優(yōu)的發(fā)電功率。機(jī)艙與來流風(fēng)向的角度，即偏航誤差對(duì)風(fēng)能吸收的影響為cos3θ的關(guān)系。若偏差在10°時(shí)，將帶來將近5%的功率損失。

風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行偏航的判斷依據(jù)為風(fēng)向標(biāo)與機(jī)艙夾角的大小，即偏航角。夾角的正負(fù)決定偏航的方向，夾角的大小及夾角對(duì)應(yīng)的風(fēng)速?zèng)Q定偏航動(dòng)作的及時(shí)性。偏航角由風(fēng)標(biāo)與風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)或S點(diǎn)的相對(duì)位置計(jì)算所得。風(fēng)向標(biāo)N點(diǎn)為風(fēng)向標(biāo)180°的位置，S點(diǎn)為風(fēng)向標(biāo)0°的位置，風(fēng)向標(biāo)安裝在機(jī)艙外的氣象架上，且N-S點(diǎn)需與機(jī)艙艙中線平行并固定。機(jī)組主控系統(tǒng)判斷的依據(jù)是，在對(duì)準(zhǔn)風(fēng)的情況下，風(fēng)標(biāo)位置處于風(fēng)向標(biāo)的N-S線上；未對(duì)準(zhǔn)風(fēng)時(shí)，則偏離N-S線。在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中即使風(fēng)標(biāo)在風(fēng)向標(biāo)的N-S線上，偏航誤差也會(huì)存在，主要的原因如下：

（1）在沒有精確校準(zhǔn)設(shè)備或氣象架、沒有參照點(diǎn)的情況下，風(fēng)向標(biāo)本身及安裝會(huì)存在一定誤差；

（2）風(fēng)向標(biāo)安裝的氣象架的安裝位置及水平程度，將給風(fēng)向標(biāo)N-S線帶來偏差；

（3）風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)來流風(fēng)向擾動(dòng)，造成風(fēng)向標(biāo)采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，也會(huì)帶來誤差。

偏航誤差指以上三點(diǎn)所產(chǎn)生誤差的總體表現(xiàn)。在此種條件下，即便使用精確度高的測風(fēng)設(shè)備，由于其他兩點(diǎn)的影響，風(fēng)向標(biāo)采集的數(shù)據(jù)也存在失真。

偏航誤差的分析主要是考慮在相同風(fēng)速下，不同偏航角對(duì)應(yīng)的功率是存在一定規(guī)律的，見圖5。對(duì)于有技術(shù)條件修正控制系統(tǒng)參數(shù)的情況，可以將偏航角減去不同代表風(fēng)速下偏航誤差，以達(dá)到修正風(fēng)向標(biāo)N-S位置的目的。對(duì)于沒有技術(shù)條件修改控制系統(tǒng)參數(shù)的情況，可以依據(jù)風(fēng)速段內(nèi)偏航誤差的平均值，調(diào)整風(fēng)向標(biāo)的N-S位置，以達(dá)到近似的目的。

二、轉(zhuǎn)矩控制分析

在目前的主流控制策略下，機(jī)組要在更寬的范圍內(nèi)追蹤最優(yōu)的葉尖速比，以達(dá)到追蹤最優(yōu)的Cp的目的。由于風(fēng)速受到更多的擾動(dòng)，一般主控系統(tǒng)控制系統(tǒng)輸入為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，依據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制變頻器輸出的功率。

轉(zhuǎn)矩計(jì)算的公式為：

圖5 偏航角與功率對(duì)應(yīng)關(guān)系

K值與風(fēng)電場的空氣密度相關(guān)，所以，轉(zhuǎn)矩控制分析主要考量在最優(yōu)Cp段是否追蹤了當(dāng)?shù)乜諝饷芏认碌娘L(fēng)能利用系數(shù)。

三、啟動(dòng)控制分析

除人為啟動(dòng)外，機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)的條件分為依據(jù)風(fēng)速或轉(zhuǎn)速。依據(jù)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速啟動(dòng)均需要風(fēng)能達(dá)到一定的程度，與空氣密度直接相關(guān)。后評(píng)估中需要評(píng)估風(fēng)速或轉(zhuǎn)速是否依據(jù)當(dāng)?shù)乜諝饷芏冗M(jìn)行相關(guān)的修正。

總結(jié)

機(jī)組性能表現(xiàn)與風(fēng)能資源情況息息相關(guān)。本文結(jié)合實(shí)際的風(fēng)能資源闡述了空氣密度、風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度對(duì)機(jī)組性能的影響，提出如何依據(jù)這三種參數(shù)進(jìn)行功率曲線標(biāo)準(zhǔn)化，如何將機(jī)艙風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)修正至相同的參考系，使其具備可比性的方法。