張宇瓊

摘要：風(fēng)資源評估對風(fēng)電場的選址、前期建設(shè)起著關(guān)鍵性的作用。為了更好地發(fā)揮、認識測風(fēng)塔在整個風(fēng)電場建設(shè)、運行中的作用，文章通過風(fēng)電場運維中的實踐和經(jīng)驗，論述了測風(fēng)塔在風(fēng)電場運行中功率預(yù)測和性能指標(biāo)評估中的作用。精準的測風(fēng)塔數(shù)據(jù)是風(fēng)電場全生命周期管理中關(guān)鍵的元素，可為發(fā)電量的提升、運維管理提供更準確的保障。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組；測風(fēng)塔；風(fēng)電場運行；效益管理；風(fēng)資源評估 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）33-0113-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.056

隨著國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，風(fēng)電企業(yè)的競爭日益加劇，尤其在棄風(fēng)限電的背景下，更加需要精細化的建設(shè)、運維管理。風(fēng)電場生命周期，包括前期風(fēng)能資源的評估、風(fēng)電場的選址、風(fēng)力發(fā)電機組選型和安裝、運行維護。其中對風(fēng)能資源進行精確的評估，直接影響風(fēng)電場的效益，是風(fēng)電場建設(shè)成功與否的關(guān)鍵。測風(fēng)塔作為獲取第一手風(fēng)能資料的設(shè)備，在前期風(fēng)場選址中起著舉足輕重的作用。然而，在風(fēng)電場建成后，如何去評價前期的設(shè)計是否合理、風(fēng)機運行是否正常、風(fēng)電場的管理是否有效，這就需要對運行的風(fēng)電場進行設(shè)計后評估與運行后評估。此時，測風(fēng)塔不僅是對風(fēng)電場建設(shè)創(chuàng)造基礎(chǔ)價值，而是貫穿了風(fēng)電場孕育到風(fēng)電場運行維護以及后評估的整個過程。

圖1為風(fēng)電利潤的構(gòu)成，可以看出，風(fēng)電場的售電量、損失電量的指標(biāo)都依賴于理論發(fā)電量的評估，而理論發(fā)電量的準確評估又依賴于風(fēng)速的評估。風(fēng)機自身的風(fēng)速儀由于受到葉片的擾流影響不能準確代表該機組的真實迎面風(fēng)速。在風(fēng)場的各項效益評估環(huán)節(jié)，更能代表風(fēng)電場風(fēng)況的生產(chǎn)測風(fēng)塔的作用就顯得尤為重要。

1 測風(fēng)塔的總體要求

《風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)功能規(guī)范》（NBT-31046-2013）要求，風(fēng)功率預(yù)報必須采用實時傳輸測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送時間間隔應(yīng)不大于5分鐘；測風(fēng)塔應(yīng)立在風(fēng)電場外1000～50000m范圍內(nèi)且不受風(fēng)電場尾流效應(yīng)影響，宜在風(fēng)電場主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向，位置應(yīng)具有代表性；采集量應(yīng)至少包括10m、50m及輪轂高度的風(fēng)速和風(fēng)向以及氣溫、氣壓等信息，應(yīng)包括瞬時值和5分鐘平均值；測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)可用率應(yīng)大于99%。

考慮到風(fēng)電場后評估及機艙前風(fēng)速矯正，“功能性測風(fēng)塔”即生產(chǎn)測風(fēng)塔應(yīng)立在主風(fēng)向無遮擋且能保證足夠的自由扇區(qū)、地勢變化平緩的規(guī)劃機位上風(fēng)向2～4倍風(fēng)輪直徑距離處。

2 測風(fēng)塔在設(shè)計后評估中的作用

隨著越來越多的風(fēng)電場建成投運，開發(fā)商逐漸重視后評估工作。風(fēng)電場設(shè)計階段的風(fēng)資源評估是否準確，與風(fēng)能資源聯(lián)系緊密的發(fā)電量成為體現(xiàn)風(fēng)電場運營的后評價過程中的重要指標(biāo)之一。但是如何評價前期風(fēng)資源的準確與否，就要依靠生產(chǎn)測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)進行檢驗。

下文以國華某風(fēng)場為例說明前期風(fēng)資源和實際運行中的差距。

2.1 設(shè)計階段風(fēng)資源

圖2為某年內(nèi)平均風(fēng)速變化。用WASP9.0軟件推算到預(yù)裝風(fēng)電機組輪轂高度70m年平均風(fēng)速為6.40m/s，平均風(fēng)功率密度為250W/m2，威布爾參數(shù)A=7.2，k=2.20；50m年平均風(fēng)速為6.24m/s，平均風(fēng)功率密度為232W/m2，威布爾參數(shù)A=7.0，k=2.19。根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》，判定該風(fēng)電場風(fēng)功率密度等級為2級。

該風(fēng)場70m高度年有效風(fēng)速（3.0～25.0m/s）時數(shù)為7916h，風(fēng)速頻率主要集中在3.0～11.0m/s，3.0m/s以下和25.0m/s以上的無效風(fēng)速少，無破壞性風(fēng)速，年內(nèi)變化小，全年均可發(fā)電。

風(fēng)電場70m高度50年一遇最大風(fēng)速、極大風(fēng)速為34.2m/s、40.9m/s，湍流強度為0.11，小于0.12。根據(jù)IEC61400-1標(biāo)準，判定此風(fēng)電場可選用安全等級為IECⅢc級及以上風(fēng)機。

根據(jù)該風(fēng)場風(fēng)能資源特點和場址范圍，采用Windfarmer優(yōu)化風(fēng)機布置，按風(fēng)機間距不小于4D布置風(fēng)電機組，采用當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋纯諝饷芏?.091kg/m3）下的功率曲線計算風(fēng)電機組理論發(fā)電量?？紤]風(fēng)電機組利用率、風(fēng)電機組功率曲線保證率、控制與湍流影響折減、葉片污染折減、氣候影響停機、廠用電、線損等能量損耗、電網(wǎng)波動影響、其他因素影響（暫按1%考慮），年上網(wǎng)電量為9410.4萬kWh，年等效滿負荷小時數(shù)為1901h，容量系數(shù)為0.22。

2.2 實際運行中的風(fēng)資源

作為新投運的風(fēng)電場，預(yù)測來年發(fā)電量時，唯一的參考依據(jù)是可研報告中的資源情況。風(fēng)電場滿年投運的發(fā)電量為7227萬kWh，全年限電量1447kWh，場用電率按照3.75%，全年的實際上網(wǎng)電量為8349萬kWh。與可研報告中的發(fā)電量相比低了11.28%。

從圖3可以看出，除了9月風(fēng)況接近外，其余月份風(fēng)資源相差較大。當(dāng)然，一年的運行數(shù)據(jù)無法作為評價風(fēng)資源的依據(jù)。

此風(fēng)場采用了兩種機型，測風(fēng)塔的位置正好處于兩種機型的中間（圖4）。選取測風(fēng)塔與運行數(shù)據(jù)同期的數(shù)據(jù)，對測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進行尾流還原，得到測風(fēng)塔尾流前的風(fēng)速，用于以下用途：

根據(jù)測風(fēng)塔尾流前風(fēng)速評估風(fēng)電場運行時段的風(fēng)資源水平，準確評估運行年限中的大小風(fēng)年，為風(fēng)電場發(fā)電量的評估提供基準。

根據(jù)測風(fēng)塔的尾流還原后風(fēng)速，采用前期設(shè)計的流體模型對機位處發(fā)電量進行評估，與實際發(fā)電量進行對比，進而評估前期設(shè)計的流體模型是否準確。同時，通過設(shè)計模型結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)流體模型的缺陷，進而提高流體模型的準確性，又可以根據(jù)流體模型的缺陷指導(dǎo)前期立塔的代表性，通過流體模型的失效分析，在失效區(qū)域進行立塔代表，為后續(xù)項目的發(fā)電量評估提升準確性、降低投資風(fēng)險。

測風(fēng)塔的風(fēng)速在設(shè)計后評估中發(fā)揮著重要的作用，其風(fēng)向數(shù)據(jù)也有很大的作用：根據(jù)測風(fēng)塔處的風(fēng)向，可以修正復(fù)雜風(fēng)電場測風(fēng)塔周邊機組的風(fēng)向、平地風(fēng)電場全場的機組處風(fēng)向，使得風(fēng)電場全場協(xié)同控制得到有效實施。

3 測風(fēng)塔在運行指標(biāo)評估中的作用

3.1 各種評價指標(biāo)的優(yōu)劣

2013年國家能源局發(fā)布《風(fēng)電場運行指標(biāo)與評價導(dǎo)則》（NB/T31045-2013），2014年中電聯(lián)發(fā)布《風(fēng)電場生產(chǎn)運行統(tǒng)計指標(biāo)體系》。另外，各大風(fēng)電運營商也根據(jù)自身的運營實踐經(jīng)驗陸續(xù)發(fā)布評價指標(biāo)，大唐集團在2012年發(fā)布《中國大唐集團公司風(fēng)電企業(yè)指標(biāo)釋義》，龍源電力集團在2013年發(fā)布《風(fēng)電場運行指標(biāo)與評價導(dǎo)則》。

根據(jù)上述兩種指標(biāo)的類型，目前在行業(yè)內(nèi)場用的主要運行后評估指標(biāo)有：

3.1.1 設(shè)備可利用率（TBA）是用來描述統(tǒng)計期內(nèi)機組處于可用狀態(tài)的時間占總時間比例的指標(biāo)，是用來考核設(shè)備可靠性時常用的一項指標(biāo)。計算方法為：

備用小時為調(diào)度停運備用小時與受累停用備用小時的總和（不含風(fēng)機定期維護和點檢時間）。隨著風(fēng)機設(shè)備可靠性的持續(xù)提升，目前國內(nèi)外大部分風(fēng)電場的TBA都達到了97%以上，可實際上不同項目之間存在著很大的發(fā)電水平差異。根據(jù)全球風(fēng)能理事會和能源局統(tǒng)計，歐美典型風(fēng)場的平均年發(fā)電小時數(shù)達到2500小時，而國內(nèi)風(fēng)電場平均水平只有1900小時左右（見圖5）。幾乎一致的TBA水平無法解釋相差600小時的發(fā)電量落差。

仔細分析TBA這個指標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)，單純時間維度的衡量并沒有給出由于停機錯過的風(fēng)能究竟有多少，即大風(fēng)時停機1小時，往往比小風(fēng)時停機2小時損失的電量要多。要想知道停機期間損失電量有多少，必須依賴于風(fēng)速的準確評估。

3.1.2 無故障運行時間（MTBT）。風(fēng)力發(fā)電運行過程中非計劃停運（故障停運）損失完全是由設(shè)備失效或者故障等造成的，因此在風(fēng)電場運行過程中，需要有指標(biāo)去關(guān)注設(shè)備的可靠性水平。在傳統(tǒng)的電器產(chǎn)品質(zhì)量體系中平均故障間隔時間是常被用來衡量一個產(chǎn)品可靠性水平的指標(biāo)，是體現(xiàn)產(chǎn)品能夠保持正常功能不間斷使用的持續(xù)時間。借鑒該指標(biāo)的定義，考慮到風(fēng)力發(fā)電機組單次故障不一定失效的特點，引進了風(fēng)電領(lǐng)域定制的可靠性指標(biāo)MTBT。計算方法為：

從設(shè)備可靠性水平來看，該指標(biāo)反映了被評估風(fēng)電場設(shè)備兩次故障停運的間隔時間，如圖6所示：

隨著風(fēng)電場可靠性水平的提升，風(fēng)電場故障率進一步得到降低，無故障運行時間這個指標(biāo)將變得極為敏感，有可能出現(xiàn)兩個風(fēng)電場出現(xiàn)的故障次數(shù)僅相差1次，但無故障運行時間會相差100小時。此時，MTBT就難以支撐風(fēng)電場的精細化管理了。另外，受限于故障次數(shù)，MTBT忽略了停機時間及停機時段風(fēng)資源等因素對

發(fā)電量的影響。

3.1.3 平均機組故障時間（MTOTF）。在統(tǒng)計時間段內(nèi)因為機組故障停機導(dǎo)致的設(shè)備處于停運狀態(tài)的單臺機組平均耗時，用來反映風(fēng)電機組運行質(zhì)量和維護隊伍的響應(yīng)速度、故障診斷能力、修復(fù)效率和備件保障

能力。

上述指標(biāo)是從時間維度上考衡量風(fēng)電場的可靠性，但是忽略了風(fēng)電的特殊性，即：不同的時段下，考核指標(biāo)相同的情況下，損失的發(fā)電量并不一樣。

3.1.4 EBA（能量可利用率），即實際發(fā)電量和理論發(fā)電量的比值。準確的EBA計算需要風(fēng)速作為輸入。計算方法為：

能量可利用率=

式中：理論產(chǎn)能=f（V，，PC），V指葉輪前的風(fēng)速，指空氣密度，PC指不同值下的理論功率曲線值。

因此在計算標(biāo)定風(fēng)機的EBA的時候，必須參考測風(fēng)塔的風(fēng)速，建立測風(fēng)塔自由流風(fēng)速與標(biāo)定風(fēng)機葉輪后風(fēng)速之間的相關(guān)性，再根據(jù)自由流扇區(qū)的相關(guān)性，作用到標(biāo)定風(fēng)機全扇區(qū)的風(fēng)速，由上述關(guān)系求出標(biāo)定風(fēng)機處的理論發(fā)電量，從而計算出EBA。

3.2 后評估和考核基準

根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機功率性能測量》（IEC61400-12-1）及《基于機艙風(fēng)速計的風(fēng)電機組功率特性測試》（IEC61400-12-2）中所述，風(fēng)機設(shè)備上安裝的風(fēng)速儀，由于受葉片轉(zhuǎn)動引起的擾流影響，并不能表征風(fēng)輪前真實捕獲的自由流風(fēng)速，需要通過樹立生產(chǎn)測風(fēng)塔，因此就需要通過生產(chǎn)測風(fēng)塔提供的數(shù)據(jù)，建立由SCADA采集的機艙風(fēng)速與風(fēng)輪前自由流風(fēng)速的回歸關(guān)系，從而獲得校準后的風(fēng)輪前風(fēng)速，進而通過對能量可利用率的計算，實現(xiàn)對各類電量損失的精確分解及管理。

目前風(fēng)機制造商提供的SCADA系統(tǒng)的風(fēng)速都是取自風(fēng)速儀，因此系統(tǒng)中的功率曲線就值得商榷了。

圖7為某機組實際運行參數(shù)擬合得到的功率曲線與廠家提供的理論功率曲線對比，可以看出，功率曲線的吻合度僅在73%～89%之間，設(shè)備性能沒有達到承諾標(biāo)準，導(dǎo)致電量損失達20%左右，詳見表1：

基于測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，可以有效地還原風(fēng)機機艙前的真實風(fēng)速，從而發(fā)現(xiàn)功率曲線的問題，及時采取措施避免設(shè)備性能降低。同時，準確評估標(biāo)定風(fēng)機的真實風(fēng)速也是準確評估風(fēng)機各損失電量的基礎(chǔ)。在風(fēng)電場的運行管理過程中，由于設(shè)備可靠性問題導(dǎo)致的設(shè)備停機或亞健康的電量損失會相對容易管理。

4 實際應(yīng)用中存在的問題

上述所說都是基于風(fēng)電場內(nèi)的測風(fēng)塔穩(wěn)定可靠，但目前實際情況則是要么風(fēng)場現(xiàn)有的測風(fēng)塔不是功能性測風(fēng)塔，即是前期測風(fēng)遺留的；要么就是受到環(huán)境影響或者維護不當(dāng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不足以用來計算。如此情況下，如何準確地對設(shè)備停運或者亞健康造成的損失電量進行評估？

針對此類情況，行業(yè)內(nèi)給出了兩種常用的損失電量的計算方法：

4.1 標(biāo)桿風(fēng)機評定法

也叫臨近風(fēng)機法，就是假定在非正常發(fā)電運行時間段內(nèi)，存在一臺或者幾臺可以正常運行的機組，將這一臺或者幾臺機組的實際發(fā)電量，認定為理論發(fā)電量，減去此段時間內(nèi)的實際發(fā)電量。

4.2 實際功率曲線標(biāo)定法

按月給每臺風(fēng)機繪制正常運行時間段內(nèi)的實際功率曲線。當(dāng)風(fēng)機出現(xiàn)非正常運行時，借助繪制的實際功率曲線，計算出理論發(fā)電量。根據(jù)非正常運行機組計算出實際發(fā)電量，兩者的差即是損失電量。

關(guān)于這兩種方法的研究還比較少，其適用場合（如平地、山地）、誤差等方面各有優(yōu)劣。

在生產(chǎn)實踐中，針對平地風(fēng)電場情況，實際功率曲線標(biāo)定法計算的損失電量相對偏差均小于1%；使用標(biāo)桿風(fēng)機評定法計算的損失電量的平均相對誤差在4.2%左右。與此同時，標(biāo)桿風(fēng)機評定法的相對誤差波動性大，一致性低于實際功率曲線標(biāo)定法。

而對于山地風(fēng)場，由于受地形影響，標(biāo)桿風(fēng)機評定法出現(xiàn)了較大的誤差，機組間偏差波動性進一步放大；使用實際功率曲線標(biāo)定法，偏差無明顯波動，機組間一致性較好。

5 結(jié)語

追求發(fā)電效益是風(fēng)電場生存的根本。精準的測風(fēng)塔數(shù)據(jù)是風(fēng)電場全生命周期管理中不可或缺的元素。測風(fēng)塔數(shù)據(jù)是風(fēng)電場規(guī)劃階段的決策依據(jù)；風(fēng)電場生產(chǎn)運行期內(nèi)，充分利用生產(chǎn)測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)來標(biāo)定風(fēng)場的風(fēng)況，實現(xiàn)對風(fēng)電場的精細化管理，讓機組工作得更有效，最終提升發(fā)電效益。

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（責(zé)任編輯：小 燕）