王慶偉， 蘇　梅， 于文革

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.新疆華電苦水風(fēng)電有限責(zé)任公司，新疆哈密839000；3.中國華電集團公司，北京100031）

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基于17799曲線的風(fēng)機功率曲線評價方法研究

王慶偉1， 蘇梅2， 于文革3

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.新疆華電苦水風(fēng)電有限責(zé)任公司，新疆哈密839000；3.中國華電集團公司，北京100031）

摘要：標(biāo)準(zhǔn)功率曲線對于評價風(fēng)機發(fā)電性能具有十分重要的意義。本文結(jié)合17799標(biāo)準(zhǔn)功率曲線形成過程的描述以及實際應(yīng)用的示范，得到一種全新的風(fēng)機發(fā)電機組性能比對的計算方法，對實際生產(chǎn)運行中風(fēng)機的評價及優(yōu)化，起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：17799曲線； 標(biāo)準(zhǔn)功率曲線； 實際發(fā)電性能對比

0　引言

隨著環(huán)境的惡化和化石燃料的瀕臨枯竭，社會對于可再生能源的需求日益增大，在國家大力推進能源消費革命、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的背景下，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源在平衡經(jīng)濟建設(shè)與環(huán)境保護方面發(fā)揮著舉足輕重的作用?！笆濉逼陂g我國風(fēng)電等可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得突出成績，截至2015年上半年，全國風(fēng)電累計并網(wǎng)規(guī)模達到1.05億kW，預(yù)計十三五期間有望突破2.5億kW，市場潛力巨大。

1　出廠標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的特點

出廠標(biāo)準(zhǔn)功率曲線指的是在標(biāo)準(zhǔn)情況下（溫度15℃，氣壓1013.3hPa，空氣密度1.225kg/m3）風(fēng)力發(fā)電機組輸出功率與風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系，是風(fēng)電機組的設(shè)計依據(jù)，也是考核機組性能、評估機組發(fā)電能力、預(yù)測和計算風(fēng)電場年發(fā)電量的一項重要指標(biāo)。機組制造商在向用戶提供設(shè)備時，首先要提交機組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。按照IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)的定義，風(fēng)力發(fā)電機組的功率曲線是機組輸出功率隨10min平均風(fēng)速變化的關(guān)系曲線，通過實際測試的方式得到[1，2]。這種測定得到的功率曲線具有獨特性，是針對具體的風(fēng)機和風(fēng)場來確定的，當(dāng)用于其他的風(fēng)場時，仍然需要進行修正和調(diào)整。

風(fēng)機廠家提供的功率曲線基本只能反映機組的穩(wěn)態(tài)運行狀況，用來分析風(fēng)電機組的實際運行狀況時卻存在著明顯的誤差[3]。根據(jù)實測數(shù)據(jù)顯示，聯(lián)網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機組并非嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)功率靜態(tài)曲線運行，而是在一個較寬的范圍內(nèi)呈散點式動態(tài)分布[4]，如圖1所示。

對于不同廠家的不同機組而言，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，獲得各自的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線需要大量的數(shù)據(jù)和長期的觀測作為基礎(chǔ)，難以為新機組的設(shè)計提供參考。對于不同的風(fēng)場，自然風(fēng)的實時風(fēng)向和風(fēng)速具備不確定性，特別是地形相對復(fù)雜的山區(qū)，風(fēng)況更為復(fù)雜，以常規(guī)辦法較準(zhǔn)確地現(xiàn)場測繪功率曲線，并以此考核機組性能是極其困難的[5]。

為得到標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，風(fēng)機廠家需要針對每一種機型進行測試和計算，雖然工作量非常大，但這對于廠家準(zhǔn)確的表征各機型性能指標(biāo)是十分必要的，為發(fā)電企業(yè)設(shè)備選型提供很好的參考依據(jù)。然而與此同時，既然各機組實際功率曲線與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線均或多或少存在偏差，其投產(chǎn)運營期間評估機組性能，將每一條實際功率曲線分別對比標(biāo)準(zhǔn)功率曲線顯得有些事倍功半，而如果存在一條統(tǒng)一的曲線，作為業(yè)主評估各風(fēng)力發(fā)電機組實際運行性能的標(biāo)尺，將會極大的簡化發(fā)電企業(yè)風(fēng)電各項考核難度，在計算機系統(tǒng)軟件編程時，也節(jié)省大量的邏輯計算，同時仍能達到考核和評價的目的。鑒于此，“17799曲線”應(yīng)運而生。

2　“17799曲線”的提出

為得到這條目標(biāo)曲線。首先以1500kW機組為例進行研究。通過大量的數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)雖然制造廠商和機型品種繁多，但其原始標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的變化趨勢具有一定的相似度，這里將其分別繪制在同一平面直角坐標(biāo)系中，原始縱坐標(biāo)為額定功率，起點為0kW，終點為機型對應(yīng)的額定功率，即1500kW；原始橫坐標(biāo)為風(fēng)速，起點為0m/s，終點為額定功率下對應(yīng)的風(fēng)速，如9.9m/s。當(dāng)達到額定功率后，無論風(fēng)速如何增加，功率保持額定不變，因此不再考慮該段曲線的變化趨勢。見表1。

表1　原始風(fēng)速-功率關(guān)系

如圖2所示，可以看出三條曲線的變化趨于一致，只是起點和終點的坐標(biāo)有所差異，這里采用歸一化處理方法。將同一指標(biāo)下的有量綱量經(jīng)過等比例變換，轉(zhuǎn)化為無量綱量表達，這里為保證數(shù)據(jù)的整齊度，歸一化處理之后將結(jié)果統(tǒng)一乘以10，歸一化處理后的風(fēng)速、功率命名為風(fēng)速系數(shù)和功率系數(shù)，其變換式：

式中 x—風(fēng)速系數(shù)；

y—功率系數(shù)；

V—風(fēng)速，m·s-1；

VR—額定風(fēng)速，m·s-1；

P—功率，kW；

PR—額定功率，kW。

變換后的風(fēng)速系數(shù)與功率系數(shù)關(guān)系見表2。

表2　歸一化后風(fēng)速系數(shù)-功率系數(shù)關(guān)系表

如圖3所示，歸一化處理之后，可以看到三條曲線的一致性非常好，幾乎重合，因此可以用一條擬合曲線來表示三條線的變化趨勢，以表征風(fēng)速系數(shù)與功率系數(shù)之間的相對邏輯關(guān)系。按照這樣的規(guī)律，我們選取了足夠數(shù)量機型的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線作為樣本，通過同樣的方式換算至同一坐標(biāo)系，發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律依然存在，無論機型或制造廠商是否相同。最終，我們找到一條唯一的擬合曲線用來表示所有1500kW機組的風(fēng)速系數(shù)與功率系數(shù)邏輯關(guān)系和曲線的變化趨勢。

通過分析比較，發(fā)現(xiàn)同一廠家的不同額定功率風(fēng)機其變化趨勢趨于一致，各功率曲線之間存在著某種特定的內(nèi)在聯(lián)系，如圖4所示。當(dāng)然，按照1500kW機組標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的形成方法得到的2000kW、2500kW和3000kW的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，也必定會遵循這一規(guī)律，存在統(tǒng)一的邏輯關(guān)系。

運用相同的歸一化處理方法，對不同功率風(fēng)機的風(fēng)速及功率進行變換，得到如圖5所示的關(guān)系圖。

可以看出即使是不同功率的風(fēng)機，其換算后的風(fēng)速系數(shù)-功率系數(shù)曲線依然具備較好的一致性和相似性，通過對大量曲線的擬合，最終得到了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，即“17799曲線”，其表達式為：

該表達式所示曲線即可以定義為風(fēng)電機組設(shè)備制造技術(shù)的一般水平，作為評價風(fēng)機性能優(yōu)劣的一桿秤，將不同廠家不同功率的曲線與之比對，正偏差為相對優(yōu)秀，負(fù)偏差為相對欠缺。

3　“17799曲線”的應(yīng)用

為直觀了解“17799曲線”的實際應(yīng)用，我們以國內(nèi)某大型風(fēng)機廠家生產(chǎn)的額定功率為1500kW機型為例，進行說明。

3.1標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的評價

根據(jù)該型號風(fēng)機的出廠標(biāo)準(zhǔn)功率曲線將“17799曲線”進行縮放，其原始風(fēng)速-功率見表3。

表3　某機型原始風(fēng)速-功率關(guān)系

根據(jù)式（1）、式（2），有：

將式（4）、式（5）代入式（3）中，有：

即為“17799曲線”在該機型出廠標(biāo)準(zhǔn)功率曲線坐標(biāo)系中的表達式。如圖6所示。

可以看出，兩條線的位置及變化趨勢十分接近，證明該風(fēng)機的理論性能近似行業(yè)一般水平。

3.2實際功率曲線的評價

將該款風(fēng)機實際風(fēng)速-功率對應(yīng)散點圖在平面直角坐標(biāo)系中進行表示，如圖7所示，擬合出實際功率曲線，得到其曲線公式：

將該風(fēng)機實際功率曲線與轉(zhuǎn)換后的“17799”標(biāo)準(zhǔn)功率曲線繪制在同一直角坐標(biāo)系中，如圖8所示。發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機各風(fēng)速下的實際功率均低于“17799曲線”表征的理論功率，表明該款風(fēng)機實際發(fā)電效果不理想。

為量化比較該機型實際功率曲線與“17799”標(biāo)準(zhǔn)功率曲線的具體差異，在某相同風(fēng)速的情況下將兩者功率做差，有：

該差值表示同一風(fēng)速下實際功率對于標(biāo)準(zhǔn)功率的偏差，而不同風(fēng)速下分別做差，并進行總量上的累計，定義為功率容積偏差率，則有：

式中 ξ—功率容積偏差率；

V″R—實際額定風(fēng)速，m·s-1；

V″S—實際切入風(fēng)速，m·s-1；

V′R—“17799”標(biāo)準(zhǔn)額定風(fēng)速，m·s-1；

V′S—“17799”標(biāo)準(zhǔn)切入風(fēng)速，m·s-1。

利 用 MATLAB軟 件 計 算 解 得 ，ξ=-0. 20097574370709387。即二者功率容積偏差率約為-20. 1%，表明該款風(fēng)機在實際運行時較設(shè)計值相差較大，需要進行故障排查以尋找功率較低的原因。

4　結(jié)語

“17799曲線”不僅形式簡潔，代表性強，而且可以

具備很好的伸縮性和延展性，基本適用于一切規(guī)格機型的對比，具有極其重要的意義。運用“17799曲線”代替風(fēng)機標(biāo)準(zhǔn)功率曲線對比實際風(fēng)速-功率關(guān)系，評價風(fēng)機性能，更有說服力，更能反映該風(fēng)機在整個行業(yè)內(nèi)的技術(shù)水平，為風(fēng)電機組生產(chǎn)運行優(yōu)化和提升提供了有力的保障。

參考文獻：

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[5]蔡純，張秋生.風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線的修正[J].廣東電力，2003，16 （1）：17~19.

修回日期：2016-03-16

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.002

中圖分類號：TM315

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）02-0009-04

作者簡介：王慶偉（1986-），男，河北承德人，碩士研究生，工程師，從事新能源開發(fā)、設(shè)計、檢測及研究工作。

收稿日期：2016-01-26

Research on Evaluation Method of Wind Power Curve Based on 17799 Curve

WANG Qing-wei1， SU Mei2， YU Wen-ge3
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Xinjiang Huadian Kushui Wind Power Limited Liability Company，Hami 839000，China；3.China Huadian Corporation，Beijing 100031，China）

Abstract：The standard power curve is great significative for the evaluation of wind turbine performance.Combined with 17799 standard power curve formation process description and application demonstration，we get a new calculation method for comparison of the wind turbine performance，in the evaluation and optimization of operation of wind power production，it plays a guiding role.

Key words：17799 curve； standard power curve； the actual performance comparison