范 奇,王 曦2,孫志超3,王宏偉2,杜保華

(1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054; 2.華能新能源股份有限公司，北京 100036;3.華能甘肅能源開發(fā)有限公司，甘肅 蘭州 730070)

隨著能源與環(huán)境問(wèn)題受到關(guān)注，作為清潔可再生能源之一的風(fēng)能逐漸被發(fā)電企業(yè)重視。目前，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為最具開發(fā)潛力的可再生能源發(fā)電方式之一。對(duì)于已投產(chǎn)的風(fēng)電場(chǎng)，隨著運(yùn)行時(shí)間推移以及設(shè)備的老化，風(fēng)電機(jī)組出力能否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值是影響風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。而風(fēng)電機(jī)組的功率曲線是衡量機(jī)組經(jīng)濟(jì)水平的最佳標(biāo)尺，因此研究能夠反映風(fēng)電機(jī)組真實(shí)水平的實(shí)時(shí)功率曲線至關(guān)重要[1-3]。

1 功率曲線研究現(xiàn)狀

風(fēng)電機(jī)組功率曲線一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝儀器設(shè)備，確定測(cè)量位置，記錄一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)電機(jī)組輪轂高度處的風(fēng)速和在該風(fēng)速下機(jī)組的輸出功率，利用Bin分析的方法計(jì)算風(fēng)速-功率曲線[4-5]。但是，依據(jù)該方法計(jì)算時(shí)存在以下問(wèn)題：

(1)需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行性能、輸出功率和周圍氣象情況做長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集，有時(shí)會(huì)受當(dāng)?shù)仫L(fēng)速條件所限，不能得到各風(fēng)速區(qū)間下的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致功率曲線不完整[6]。

(2)風(fēng)電機(jī)組的功率曲線，受環(huán)境溫度、大氣濕度、大氣壓力以及機(jī)組自身特性等因素影響，不同風(fēng)電機(jī)組所處的自然環(huán)境不同，導(dǎo)致不同風(fēng)電機(jī)組不同時(shí)間段形成的功率曲線都不一樣。因此，為了得到不同風(fēng)電機(jī)組最新的功率曲線，會(huì)消耗大量的人力物力[7-8]。

(3)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組提供的技術(shù)規(guī)范和用戶手冊(cè)，描述機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的功率曲線，通常是通過(guò)計(jì)算得到的理論功率曲線，或者是在一定的模擬環(huán)境下通過(guò)試驗(yàn)得出的曲線[9-10]。

綜上所述，受氣象和環(huán)境條件、風(fēng)電機(jī)組排列、對(duì)風(fēng)偏差、機(jī)型等條件限制，風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)性、完整性及風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組通用性等方面都存在一定的問(wèn)題，從而對(duì)風(fēng)電機(jī)組實(shí)際特性監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)都具有一定的影響[11-12]。

為了功率曲線的時(shí)效性、完整性以及風(fēng)電機(jī)組通用性，本文結(jié)合影響功率曲線的因素，利用風(fēng)電機(jī)組相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算風(fēng)電機(jī)組功率曲線。

2 實(shí)時(shí)功率曲線計(jì)算方法

實(shí)時(shí)計(jì)算風(fēng)電機(jī)組功率曲線的數(shù)據(jù)源于風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)，主要包括實(shí)時(shí)風(fēng)速、實(shí)時(shí)功率、風(fēng)機(jī)可靠性狀態(tài)、大氣壓力、環(huán)境溫度等。計(jì)算步驟為[13-15]：

(1)采集一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速vo、功率po、可靠性狀態(tài)so數(shù)據(jù)，形成樣本集合[vo,1,po,1,so,1]…[vo,i,po,i,so,i]，其中i為采集數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，i=1,2,…n。

(2)過(guò)濾有效樣本數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)方法提取有效樣本數(shù)據(jù)只考慮有效范圍內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行功率，得到的樣本數(shù)據(jù)不能體現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的真實(shí)發(fā)電能力，比如，當(dāng)由于限負(fù)荷原因?qū)е嘛L(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率下降時(shí)，不能判定是屬于電網(wǎng)限負(fù)荷還是風(fēng)電機(jī)組自身原因限負(fù)荷。因此在此基礎(chǔ)上，找出滿足樣本集合中能夠反映風(fēng)電機(jī)組自身發(fā)電能力的數(shù)據(jù)，即當(dāng)風(fēng)電機(jī)組可靠性狀態(tài)處于正常發(fā)電、告警發(fā)電、異常限電狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速v與功率p數(shù)據(jù)，形成新的樣本集合，[v1,p1,s1]…[vi,pi,si]。其中，可靠性狀態(tài)主要分為：正常發(fā)電、告警發(fā)電、調(diào)度限電、異常限電、待機(jī)、限電停機(jī)、場(chǎng)內(nèi)受累、場(chǎng)外受累、定檢停機(jī)、維護(hù)停機(jī)、天氣停機(jī)、不可復(fù)位故障、可復(fù)位故障、離線。

(3)由于過(guò)濾后的風(fēng)速數(shù)據(jù)由風(fēng)速儀測(cè)得，風(fēng)速儀一般安裝在風(fēng)輪后面。而風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)從風(fēng)中獲取了能量，導(dǎo)致風(fēng)速儀采集到的風(fēng)速低于風(fēng)輪前面的風(fēng)速。為了得到相對(duì)真實(shí)的風(fēng)速值，根據(jù)能量守恒近似計(jì)算風(fēng)輪前面的風(fēng)速，計(jì)算公式如下[16]

(1)

式中ρ——空氣密度/kg·m-3；

vf——風(fēng)輪前面的風(fēng)速/m·s-1；

v——采集的實(shí)時(shí)風(fēng)速/m·s-1；

p——v對(duì)應(yīng)的功率/kW；

a——風(fēng)輪葉片掃掠面積/m2；

其中a=πr2，r——風(fēng)輪半徑/m。

(4)將計(jì)算得到的風(fēng)輪前風(fēng)速vf折算為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下，其折算公式如下[16-17]

(2)

式中vb——標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的風(fēng)輪前風(fēng)速/m·s-1；

tb——標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)氣溫/℃；

ps——大氣壓力/kPa；

ts——環(huán)境溫度/℃；

pb——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力/kPa。

(5)以折算后的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速以及對(duì)應(yīng)的功率數(shù)據(jù)作為新的樣本集合[vb,1,p1]…[vb,i,pi]，設(shè)置風(fēng)速區(qū)間段如[2.75-3.25],[3.25-3.75],[3.75,4.25]…[……]，計(jì)算各風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)的風(fēng)速、功率平均值，計(jì)算公式如下

(3)

(4)

式中vb,i,avg——第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)的平均風(fēng)速/m·s-1；

pi,avg——第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)的風(fēng)速平均功率/kW；

vb,i,j——第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)第j個(gè)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值/m·s-1；

pi,j——第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)第j個(gè)功率值/kW；

ni——第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間的樣本個(gè)數(shù)。

(6)利用步驟(5)得到的不同風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)的平均風(fēng)速及平均功率數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合得到實(shí)時(shí)功率曲線。

3 風(fēng)電機(jī)組出力特性評(píng)價(jià)

將出質(zhì)保檢測(cè)的功率曲線作為理論功率曲線，結(jié)合計(jì)算的實(shí)時(shí)功率曲線，選取切入風(fēng)速和切出風(fēng)速間以1m/s為步長(zhǎng)的若干個(gè)風(fēng)速點(diǎn)及各風(fēng)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的理論功率和平均功率計(jì)算功率一致性系數(shù)，以此來(lái)評(píng)價(jià)風(fēng)電機(jī)組的出力特性。功率一致性系數(shù)計(jì)算公式為[18]

功率一致性系數(shù)=

當(dāng)發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組功率一致系數(shù)低于某規(guī)定值則應(yīng)聯(lián)系技術(shù)人員及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

4 實(shí)例分析

以某1 500 kW華銳風(fēng)電機(jī)組和1 650 kW南車風(fēng)電機(jī)組不同時(shí)間段為例，實(shí)時(shí)計(jì)算功率曲線及功率一致性系數(shù)。

(1)1 500 kW華銳機(jī)組折算后的2017年10月和2018年2月的樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 平均風(fēng)速、平均功率樣本數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)擬合得到圖1、圖2的功率曲線，通過(guò)圖中發(fā)現(xiàn)，在0～7 m的低風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)折算后的功率比理論功率略高，而在7～25 m的高風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)，折算后的功率比理論功率又大大降低，證明在低風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠超負(fù)荷發(fā)電，而當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增高時(shí)，由于風(fēng)電機(jī)組自身原因限制，發(fā)電能力較弱。2017年10月和2018年2月的功率一致性系數(shù)分別為85.52%、89.25%，證明該風(fēng)電機(jī)組整體運(yùn)行情況欠佳，尤其在高風(fēng)速階段發(fā)電能力較弱，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)2018年2月的運(yùn)行性能較之前有所提高，主要因?yàn)樵诎l(fā)現(xiàn)2017年10月該風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況不良時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)人員及時(shí)對(duì)機(jī)組進(jìn)行了維修檢查，改善了運(yùn)行參數(shù)，因而運(yùn)行性能提高。

(2)1 650 kW南車機(jī)組折算后的2017年10月和2018年2月的部分樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 平均風(fēng)速、平均功率樣本數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)擬合得到圖3、圖4的功率曲線，通過(guò)圖中發(fā)現(xiàn)，在不同風(fēng)速區(qū)間段內(nèi)，實(shí)際功率與理論功率非常接近，且功率一致性系數(shù)分別為97.17%、95.54%，證明該風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行良好。但隨著時(shí)間的推移，2018年2比2017年10月的功率一致性系數(shù)降低，表明該機(jī)組正處于性能下降的趨勢(shì)，需要及時(shí)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行檢查，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，防止性能進(jìn)一步下降。

通過(guò)上述實(shí)例研究表明：受到變頻器、發(fā)電機(jī)、槳葉角度、風(fēng)速風(fēng)向標(biāo)的安裝、葉輪對(duì)風(fēng)速度、葉片基準(zhǔn)位置、風(fēng)速儀安裝偏差、風(fēng)況、地形、制造、安裝及維護(hù)質(zhì)量等因素的影響，風(fēng)電機(jī)組的真實(shí)性能與設(shè)計(jì)性能往往存在一定差異，部分風(fēng)機(jī)的差異非常明顯，性能遠(yuǎn)低于理論功率曲線。因此機(jī)組真實(shí)性能的評(píng)估也是風(fēng)機(jī)生產(chǎn)管理非常重要的一項(xiàng)工作，而功率曲線測(cè)定是表征風(fēng)電機(jī)組性能的關(guān)鍵技術(shù)手段。采用在線數(shù)據(jù)快速測(cè)定實(shí)際功率曲線并對(duì)比與理論功率曲線的差異，可以準(zhǔn)確掌握風(fēng)機(jī)的性能是否合格，為風(fēng)電機(jī)組性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

本文基于風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速、功率、可靠性狀態(tài)、大氣壓力、環(huán)境溫度等歷史數(shù)據(jù)提出了一種計(jì)算實(shí)時(shí)功率曲線的方法，并結(jié)合理論功率曲線對(duì)1 500 kW華銳、1 650 kW南車風(fēng)電機(jī)組出力特性進(jìn)行研究分析。結(jié)果表明，利用本方法不僅能夠真實(shí)反映風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，準(zhǔn)確掌握風(fēng)電機(jī)組性能是否良好，并且能夠?qū)崟r(shí)警示處于性能下降的風(fēng)電機(jī)組，為風(fēng)電企業(yè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在問(wèn)題提供技術(shù)支撐。