焦渤，薛揚(yáng)，李慶，秦世耀

(中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源所，北京100192)

風(fēng)電機(jī)組功率特性測(cè)試和載荷測(cè)試可以為發(fā)電商計(jì)算電量及風(fēng)機(jī)制造商的設(shè)計(jì)提供有力的服務(wù)，使風(fēng)電產(chǎn)業(yè)能夠進(jìn)一步健康發(fā)展[1]。

然而，由于我國(guó)幅員遼闊，地形情況多種多樣，與歐洲廣大的平坦地形有較大的差別，在開展功率特性測(cè)試和載荷測(cè)試中，經(jīng)常遇到測(cè)試場(chǎng)地的地形不符合IEC61400-12-1標(biāo)準(zhǔn)的情況，這極大地制約了這兩項(xiàng)測(cè)試工作的開展。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果場(chǎng)地不符合測(cè)試條件，則應(yīng)進(jìn)行場(chǎng)地標(biāo)定。本文詳細(xì)介紹了場(chǎng)地標(biāo)定的原理、方法并對(duì)某風(fēng)場(chǎng)的場(chǎng)地標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析，得到了最終的測(cè)試扇區(qū)。

1 場(chǎng)地標(biāo)定方法

由于地形會(huì)對(duì)功率特性及載荷測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此，在進(jìn)行上述兩項(xiàng)測(cè)試之前，需要對(duì)測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行場(chǎng)地評(píng)估。

IEC 61400-12-1中規(guī)定：如果地形滿足表1的要求，則不需要進(jìn)行場(chǎng)地標(biāo)定。如果地形特征超出表1所示最大傾角限值之外50%范圍內(nèi)，應(yīng)用氣流模型計(jì)算決定是否進(jìn)行場(chǎng)地標(biāo)定。氣流模型需要通過典型測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行驗(yàn)證。若氣流模型顯示測(cè)量扇區(qū)內(nèi)當(dāng)風(fēng)速為10m/s時(shí)風(fēng)速計(jì)位置的風(fēng)速與風(fēng)電機(jī)組輪轂位置的風(fēng)速差異小于1%，則不需要進(jìn)行場(chǎng)地標(biāo)定。否則應(yīng)進(jìn)行場(chǎng)地標(biāo)定。評(píng)估區(qū)域圖解，俯視圖如圖1所示。

表1 測(cè)試場(chǎng)地要求：地形變化

注：L為風(fēng)電機(jī)組與測(cè)風(fēng)塔之間的距離，L應(yīng)在2~4倍風(fēng)輪直徑之間，推薦2.5倍風(fēng)輪直徑；*與扇區(qū)地形最吻合、并通過塔架基礎(chǔ)的平面的最大傾角；**連接塔架基礎(chǔ)和扇區(qū)內(nèi)的每個(gè)地形點(diǎn)的直線的最大傾角。

圖1 評(píng)估區(qū)域圖解，俯視圖

場(chǎng)地標(biāo)定可以量化并潛在地降低地形和障礙物對(duì)功率特性測(cè)試和載荷測(cè)試的影響。場(chǎng)地標(biāo)定完成后可以得到測(cè)試地形的氣流校正系數(shù)α。

場(chǎng)地標(biāo)定的具體做法是：在測(cè)試風(fēng)電機(jī)組安裝前或風(fēng)電機(jī)組移開后樹立2個(gè)測(cè)風(fēng)塔，一個(gè)位于參考位置處，這個(gè)測(cè)風(fēng)塔也可用于功率特性測(cè)試或載荷測(cè)試，另一個(gè)位于風(fēng)電機(jī)組位置處。測(cè)試至少需要2支風(fēng)速計(jì)，一個(gè)風(fēng)向標(biāo)和一個(gè)數(shù)據(jù)處理/記錄系統(tǒng)。實(shí)際測(cè)試過程中，風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)的數(shù)量也可適當(dāng)增加。測(cè)風(fēng)設(shè)備的安裝方式為：參考位置測(cè)風(fēng)塔上安裝一支風(fēng)速計(jì)和一個(gè)風(fēng)向標(biāo)，風(fēng)機(jī)位置測(cè)風(fēng)塔安裝一支風(fēng)速計(jì)。參考位置測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速計(jì)測(cè)得的10min風(fēng)速平均值為Vref,風(fēng)機(jī)位置測(cè)風(fēng)塔測(cè)得的10min風(fēng)速平均值為Vwt。由此得到的氣流校正系數(shù)α：

在場(chǎng)地標(biāo)定完成后，把風(fēng)機(jī)位置的測(cè)風(fēng)塔移走，根據(jù)氣流校正系數(shù)α及測(cè)風(fēng)塔位置的風(fēng)速Vref即可反推出風(fēng)機(jī)位置的風(fēng)速Vwt，該風(fēng)速就是功率特性測(cè)試和載荷測(cè)試中所需的風(fēng)速。

參考位置測(cè)風(fēng)塔上的風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)可以用于功率特性測(cè)試或載荷測(cè)試，但要在同一次校準(zhǔn)活動(dòng)中進(jìn)行校準(zhǔn)。參考位置測(cè)風(fēng)塔與風(fēng)機(jī)位置測(cè)風(fēng)塔高度應(yīng)在風(fēng)機(jī)輪轂高度的±2.5%范圍內(nèi)。

2 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與處理

2.1 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)定期觀察數(shù)據(jù)采集數(shù)量是否滿足要求。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)采用區(qū)間分析法，即數(shù)據(jù)按風(fēng)向分類，一般每10°為一個(gè)測(cè)量扇區(qū)，以10 min內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并把風(fēng)速按4~8 m/s和8~16 m/s2個(gè)風(fēng)速區(qū)間劃分。

附件是某風(fēng)場(chǎng)的場(chǎng)地標(biāo)定測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過一段時(shí)間的測(cè)試，得到的標(biāo)定結(jié)果圖2~4。

圖2 氣流校正系數(shù)散點(diǎn)圖

圖3 由區(qū)間分析法得到的氣流校正系數(shù)

圖4 按風(fēng)向區(qū)間劃分的數(shù)據(jù)量

IEC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，根據(jù)4~16m/s風(fēng)速得到的氣流校正系數(shù)即可代表該風(fēng)向區(qū)間內(nèi)的地形特征。在之后的功率特性或載荷測(cè)試中，如果該風(fēng)向區(qū)間內(nèi)的風(fēng)速小于4m/s或者大于16 m/s，仍然乘以該風(fēng)向區(qū)間的氣流校正系數(shù)以得到風(fēng)機(jī)位置的真實(shí)風(fēng)速。此外還有幾點(diǎn)需要說明。

1）在IEC61400-12-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，4～8 m/s和8~16m/s2個(gè)風(fēng)速區(qū)間每個(gè)區(qū)間數(shù)據(jù)至少有36個(gè)(6 h)，且總的風(fēng)速區(qū)間4~16m/s內(nèi)，數(shù)據(jù)量至少達(dá)到144個(gè)(24 h)視為數(shù)據(jù)采集完畢。

2）扇區(qū)的起始角度可以不以0°開始，如-5°～5°，5°～15°……345°～355°也是可以的。

3）扇區(qū)范圍的開區(qū)間和閉區(qū)間可以互換，如（0°，10°]也可按[0°，10°）統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

2.2 數(shù)據(jù)的處理

在數(shù)據(jù)處理分析過程中，需要考慮測(cè)試風(fēng)電機(jī)組20倍風(fēng)輪直徑內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量、位置、風(fēng)輪直徑及其他障礙物的位置，高度等，根據(jù)IEC61400-12-1計(jì)算出測(cè)試風(fēng)電機(jī)組的可用扇區(qū)，再結(jié)合實(shí)際場(chǎng)地標(biāo)定時(shí)，每個(gè)可用扇區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)采集是否完畢，相鄰的兩個(gè)扇區(qū)氣流校正系數(shù)差別不大于0.02這2個(gè)條件，得到最終的可用于功率特性和載荷測(cè)試的可用扇區(qū)。

以該風(fēng)場(chǎng)為例，只考慮測(cè)試風(fēng)電機(jī)組與其他相鄰風(fēng)機(jī)的相對(duì)位置，其可用扇區(qū)為：0°～60°，但在40°～50°風(fēng)向區(qū)間內(nèi)4～16m/s的數(shù)據(jù)量小于144，50°~60°風(fēng)向區(qū)間內(nèi)4~16m/s的數(shù)據(jù)量小于144，4~8m/s的數(shù)量小于36，且氣流校正系數(shù)改變量0.022 8>0.02，故區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)予以剔出，最終測(cè)量扇區(qū)為：0°~40°。表2所示，為最終測(cè)量扇區(qū)內(nèi)的氣流校正系數(shù)。

表2 最終測(cè)量扇區(qū)內(nèi)的氣流校正系數(shù)

在接下來的功率特性和載荷測(cè)試中，只保留0°~40°扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，其他風(fēng)向的數(shù)據(jù)是無效數(shù)據(jù)，根據(jù)0°～40°內(nèi)參考位置測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速數(shù)據(jù)及已經(jīng)確定的氣流校正系數(shù)，即可得到可用于功率特性及載荷測(cè)試的風(fēng)速。

3 總結(jié)

場(chǎng)地標(biāo)定的目的是量化地形對(duì)于功率特性及載荷測(cè)試的影響，目前開展的并不廣泛，鑒于我國(guó)地形地貌十分復(fù)雜，且風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主及制造商對(duì)兩項(xiàng)測(cè)試的迫切需求，在未來場(chǎng)地標(biāo)定必將會(huì)較大面積地開展，因此，如何進(jìn)一步提高場(chǎng)地標(biāo)定的準(zhǔn)確度、規(guī)范場(chǎng)地標(biāo)定的步驟是今后需要研究解決的問題。

[1] 薛揚(yáng)，秦世耀，李慶.重視開發(fā)風(fēng)電機(jī)組檢測(cè)技術(shù)[J].中國(guó)科技投資,2008(4):38-40.