何中一

（上海中認(rèn)尚科新能源技術(shù)有限公司，上海 201206）

作為表征風(fēng)電機(jī)組性能的重要指標(biāo)，功率特性是通過對(duì)測(cè)試期間經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后的有效數(shù)據(jù)按風(fēng)速大小進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)而得到的[1-2]。風(fēng)電測(cè)量不確定度評(píng)估基于假設(shè)：功率測(cè)量結(jié)果可由一個(gè)以測(cè)量值為平均值、以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為標(biāo)準(zhǔn)偏差的正態(tài)概率分布來描述其特征。

有關(guān)風(fēng)電機(jī)組功率特性不確定度的研究尚不夠充分，文獻(xiàn)[3]針對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度問題，研究了一種基于不確定度評(píng)定的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差評(píng)估機(jī)制；文獻(xiàn)[4]對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的不確定度進(jìn)行了研究，提出了風(fēng)電概率密度預(yù)測(cè)方法。

在IEC 61400-12-1：2005[5]、GB/T 18451.2-2012[6]版功率特性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的附錄中給出了功率曲線不確定度評(píng)估方法，但并沒有對(duì)引起功率測(cè)量不確定度的各種因素的影響程度按大小順序加以區(qū)分，也沒有分析合成不確定度的量級(jí)。

1 功率不確定度的構(gòu)成

風(fēng)電機(jī)組功率曲線的測(cè)量不確定度是按風(fēng)速區(qū)間分別進(jìn)行評(píng)估的，每個(gè)風(fēng)速區(qū)間與平均功率Pi對(duì)應(yīng)的合成不確定度uc，i由A類不確定度分量si和B類不確定度合成結(jié)果ui，以平方求和的方式導(dǎo)出。

si與區(qū)間樣本均值與各采樣值的差異的平方求和結(jié)果、樣本數(shù)量有關(guān)；ui由4種分量合成得到，其中風(fēng)速測(cè)量引起的不確定度分量uV，i、氣溫測(cè)量引起的不確定度分量uT，i、氣壓測(cè)量引起的不確定度分量uB，i分別通過相應(yīng)的靈敏度系數(shù)cV，i、cT，i、cB，i折算到功率不確定度，uP,i為功率測(cè)量裝置引起的不確定度分量。

本文主要研究任務(wù)是評(píng)估ui可能的量級(jí)范圍及其構(gòu)成部分的相對(duì)影響大小。

2 功率測(cè)量引起的不確定度

uP，i包括4個(gè)不確定度分量，在功率特性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)附錄E的示例中，使用了0.5級(jí)的電流互感器和0.5級(jí)的功率變送器，功率測(cè)量量程為-50%Pr~+200%Pr。

若使用0.2級(jí)的電流互感器和0.2級(jí)的功率變送器直接測(cè)量風(fēng)機(jī)發(fā)電功率，

3 風(fēng)速測(cè)量引起的不確定度

風(fēng)速測(cè)量引起的不確定度分量uV，i包括5個(gè)不確定度分量，cV，i與功率系數(shù)的關(guān)系為：

定義相鄰風(fēng)速區(qū)間的功率系數(shù)比：

應(yīng)用功率特性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)第9章表2中給出的數(shù)據(jù)，可得：

在附錄E的示例中，風(fēng)速測(cè)量引起的不確定度分量uV，i按下式估算：

uV，i可簡化為：

風(fēng)速測(cè)量對(duì)發(fā)電功率的不確定度貢獻(xiàn)為：

每個(gè)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)cV，i＿sim×uV，i＿sim、cV，i×uV，i與區(qū)間平均風(fēng)速的關(guān)系如圖1所示。風(fēng)速測(cè)量引起的功率不確定度的峰值在中等風(fēng)速區(qū)段出現(xiàn)，可達(dá)60kW，相當(dāng)于被測(cè)風(fēng)機(jī)額定功率的6%。

圖1 風(fēng)速測(cè)量引起的功率不確定度

減小風(fēng)速測(cè)量對(duì)發(fā)電功率的不確定度貢獻(xiàn)的途徑在于控制式（7），關(guān)鍵在于uV1，i、uV4，i，其次是uV2，i。選用高精度風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)可以顯著降低uV1，i至0.025m/s。uV4，i、uV2，i的大小受被測(cè)風(fēng)機(jī)所在地形平坦程度的影響很大。本文研究的范圍為平坦地形下的功率曲線測(cè)量不確定度。將測(cè)風(fēng)塔與被測(cè)風(fēng)機(jī)的距離限制在2D~3D，可實(shí)現(xiàn)uV4，i低至2%Vi。某型號(hào)風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)在平坦地形下的分級(jí)系數(shù)低至0.9，而不是式（7）中的1.2。這樣可得到應(yīng)用以上風(fēng)速不確定度控制手段后，每個(gè)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)cV，i＿sim×uV，i＿sim、cV，i×uV，i與區(qū)間平均風(fēng)速的關(guān)系，如圖2所示。風(fēng)速測(cè)量引起的功率不確定度的最小估計(jì)的峰值在中等風(fēng)速區(qū)段出現(xiàn)，相當(dāng)于被測(cè)風(fēng)機(jī)額定功率的4%。

圖2 風(fēng)速測(cè)量引起的功率不確定度的最小估計(jì)

4 溫度測(cè)量引起的不確定度

uT，i包括4個(gè)不確定度分量，并通過靈敏度系數(shù)cT，i折算到功率不確定度。

在附錄E的示例中，溫度測(cè)量對(duì)發(fā)電功率的不確定度貢獻(xiàn)為：

5 氣壓測(cè)量引起的不確定度

uB，i包括3個(gè)不確定度分量，并通過靈敏度系數(shù)cB，i折算到功率不確定度。

在附錄E的示例中，溫度測(cè)量對(duì)發(fā)電功率的不確定度貢獻(xiàn)為：

6 功率的B類合成不確定度

根據(jù)對(duì)4個(gè)B類不確定度分量相互獨(dú)立的假設(shè)，并對(duì)uV，i分別應(yīng)用附錄E中的估計(jì)（圖1和圖2）的最小估計(jì)、應(yīng)用式（1），得到的B類合成不確定度的標(biāo)幺結(jié)果與區(qū)間平均風(fēng)速的關(guān)系分別如圖3和圖4所示。圖中，合成不確定度相對(duì)于額定功率的百分比ui_calc_2/Pr繪制在次坐標(biāo)軸上。與風(fēng)速測(cè)量引起的功率不確定度相比，功率測(cè)量引起的不確定度、氣溫測(cè)量引起的功率不確定度、氣壓測(cè)量引起的功率不確定度相對(duì)較小。

圖3 功率曲線的B類合成不確定度

圖4 功率曲線的B類合成不確定度的最小估計(jì)

從4個(gè)B類不確定度分量得到B類合成不確定度的計(jì)算過程如圖5所示，其中uV,i分別應(yīng)用了附錄E中的估計(jì)uV,i(1)和圖2中的最小估計(jì)uV,i(2)，顯示出減小風(fēng)速測(cè)量引起的不確定度分量對(duì)于降低B類合成不確定度的意義，同時(shí)也可看出應(yīng)用最先進(jìn)的傳感器，并且在平坦地形下測(cè)試能夠得到的最小B類合成不確定度的量級(jí)。

功率測(cè)量的4個(gè)B類不確定度分量中，首先影響最大的是風(fēng)速測(cè)量引起的不確定度分量，并且峰值出現(xiàn)在中等風(fēng)速區(qū)段。其次是功率測(cè)量引起的不確定度分量，其峰值僅為風(fēng)速測(cè)量引起的不確定度分量的1/10，溫度測(cè)量引起的不確定度分量在風(fēng)機(jī)滿發(fā)時(shí)的峰值接近或略超功率測(cè)量引起的不確定度分量峰值，氣壓測(cè)量引起的不確定度分量最小。

7 結(jié)論

對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率測(cè)量的B類不確定度分量分別進(jìn)行了評(píng)估，通過引入功率系數(shù)比，得到對(duì)功率測(cè)量影響最大的風(fēng)速測(cè)量不確定度分量中、風(fēng)速靈敏度系數(shù)的簡化估計(jì)方法。通過在平坦測(cè)試場(chǎng)地并使用高精度的風(fēng)速傳感器，可將功率的B類合成不確定度峰值的標(biāo)幺結(jié)果從6%降至4%。使用更高準(zhǔn)確度等級(jí)的功率變送器和電流互感器，對(duì)于降低功率測(cè)量的B類合成不確定度的貢獻(xiàn)極為有限。