劉陽(yáng)林，葉小廣，楊超，劉慶超

一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線的驗(yàn)證方法

劉陽(yáng)林1，葉小廣2，楊超1，劉慶超2

（1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，云南昆明650228；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組的功率曲線是評(píng)價(jià)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，關(guān)系到風(fēng)機(jī)的實(shí)際發(fā)電性能和風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際效益。基于IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)，利用SCADA系統(tǒng)記錄的風(fēng)速-功率數(shù)據(jù)，對(duì)某風(fēng)場(chǎng)在役風(fēng)機(jī)功率曲線進(jìn)行了驗(yàn)證，并依據(jù)實(shí)測(cè)的風(fēng)速-功率對(duì)測(cè)試風(fēng)機(jī)的性能做了定性的對(duì)比和評(píng)估。

SCADA；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；功率曲線；性能評(píng)估

0 引言

在綠色能源成為整個(gè)能源體系不可或缺的一部分的今天，風(fēng)能作為一種永續(xù)性的清潔能源正逐漸成為國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分[1]。國(guó)家風(fēng)電“十三五”規(guī)劃指出，2020年風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)4200億kW，占總發(fā)電量的6%，期間風(fēng)電建設(shè)總投資將達(dá)到7000億元以上。

整個(gè)風(fēng)電行業(yè)迅速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的風(fēng)電市場(chǎng)，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，業(yè)主方和設(shè)備供應(yīng)方在達(dá)標(biāo)投產(chǎn)驗(yàn)收、出質(zhì)保驗(yàn)收等環(huán)節(jié)需要進(jìn)行一系列的機(jī)組評(píng)估工作。功率曲線是考核機(jī)組性能、評(píng)估機(jī)組發(fā)電能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前的標(biāo)定方法是按照IEC61400-12進(jìn)行操作[2-4]。在實(shí)際運(yùn)維過(guò)程中，功率曲線的準(zhǔn)確性有著重要意義，若功率曲線過(guò)多高于保證曲線，機(jī)組將處于過(guò)負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，影響機(jī)組壽命。若過(guò)多低于保證功率曲線，將極大的影響發(fā)電量。

為了評(píng)估風(fēng)機(jī)實(shí)際性能，本文提出一種機(jī)組功率曲線的驗(yàn)證方法，該方法按IEC標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)在役風(fēng)機(jī)實(shí)際功率曲線進(jìn)行測(cè)定，并定性分析其發(fā)電性能。

1 測(cè)試風(fēng)機(jī)選取

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試風(fēng)機(jī)選取原則如下：

1）目標(biāo)機(jī)組在測(cè)試期間故障率較少；

2）葉片不應(yīng)有砂眼等缺陷；

3）風(fēng)機(jī)其他部件完好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；

4）主風(fēng)向上風(fēng)向無(wú)明顯障礙物。

2 數(shù)據(jù)采集和對(duì)比

2.1 數(shù)據(jù)的采集

功率曲線驗(yàn)證的關(guān)鍵因素之一是風(fēng)速測(cè)量，由于受到尾流等因素的影響導(dǎo)致封基自身測(cè)得的風(fēng)速數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確。而測(cè)風(fēng)塔則受到地形、塔影效應(yīng)等諸多因素的制約，對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)速的測(cè)量結(jié)果也帶來(lái)了相當(dāng)大的不確定性。故本文采用高精度的激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀來(lái)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)定。

2.2 風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)比

風(fēng)機(jī)SCAD A風(fēng)速為風(fēng)機(jī)輪轂高度處葉輪后測(cè)得的風(fēng)速，為更方便地對(duì)激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀及風(fēng)機(jī)SCAD A風(fēng)速進(jìn)行比較分析，剔除失測(cè)及無(wú)效數(shù)據(jù)后，對(duì)測(cè)試期間激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀輪轂高度處的實(shí)測(cè)風(fēng)速與同期風(fēng)機(jī)SCA DA風(fēng)速相關(guān)性及平均風(fēng)速對(duì)比如圖1和表1所示。

兩者相關(guān)性函數(shù)為y=1.04x，R2=0.96，相關(guān)性較好。

由表1可知激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀輪轂高度處的風(fēng)速大于風(fēng)機(jī)SCA DA風(fēng)速，相差達(dá)0.31m/s。

圖1 實(shí)測(cè)風(fēng)速與風(fēng)機(jī)S C A D A風(fēng)速相關(guān)性

表1 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀風(fēng)速與SC A D A風(fēng)速對(duì)比

2.3 功率數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 實(shí)測(cè)和風(fēng)機(jī)SC A D A功率對(duì)比

圖2 實(shí)測(cè)功率與風(fēng)機(jī)S C AD A功率相關(guān)性

測(cè)試期間風(fēng)機(jī)功率由功率測(cè)試儀實(shí)測(cè)和風(fēng)機(jī)SCAD A系統(tǒng)分別采集，功率測(cè)試儀安裝在測(cè)試風(fēng)機(jī)箱變低壓側(cè)，兩種功率數(shù)據(jù)采集時(shí)間與激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀采集時(shí)間保持同步，功率測(cè)試儀精度等級(jí)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

測(cè)試期間實(shí)測(cè)功率與風(fēng)機(jī)SCAD A功率平均值對(duì)比見(jiàn)表2。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)平均功率與風(fēng)機(jī)SCAD A平均功率基本相等，二者相差1kW。

實(shí)測(cè)功率與風(fēng)機(jī)SCAD A功率相關(guān)性如圖2所示。

二者相關(guān)性函數(shù)y=0.996x，R2=0. 9993，相關(guān)性較好。由此表明測(cè)試的準(zhǔn)確性，可以作為功率曲線評(píng)估的參考。

3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于廠家提供的是基于特定空氣密度下保證功率曲線，故按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需對(duì)風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，由激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀所測(cè)得的大氣壓強(qiáng)、溫度與濕度數(shù)據(jù)計(jì)算得到的測(cè)試期間實(shí)際空氣密度，空氣密度計(jì)算方法依據(jù)IEC61400-12-1標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

實(shí)際空氣密度ρ根據(jù)測(cè)風(fēng)儀所測(cè)的大氣溫度T，相對(duì)濕度Φ和大氣壓力B，用下式計(jì)算得出：

式中ρ—空氣密度，kg/m3；

B—大氣壓力，Pa；

T—絕對(duì)溫度，K；

Φ—相對(duì)濕度，取0＜Φ＜1；

R0—干燥空氣的氣體常數(shù)，取287.05J/kgK；

Rw—水蒸汽的氣體常數(shù)，取461.5J/kgK；

Pw—蒸汽壓力，Pa。

其中：將激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀所測(cè)的大氣壓力、大氣溫度和相對(duì)濕度通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算得到10m in實(shí)際空氣密度，見(jiàn)表3。

表3 測(cè)量期間平均空氣密度

按照IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)化處理，依據(jù)下式對(duì)風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式中Vn—折算后的風(fēng)速值，m/s；

V10min—測(cè)得的10m in平均風(fēng)速值，m/s；

ρ10min—所得到的10m in平均空氣密度，kg/m3；

ρ0—標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，kg/m3。

經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理，激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀測(cè)試機(jī)組輪轂高度處風(fēng)速變化前后結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)化處理后結(jié)果

4 功率曲線驗(yàn)證

4.1 實(shí)際功率曲線

按照IEC標(biāo)準(zhǔn)要求[2]，按以下原則剔除測(cè)風(fēng)儀異常情況、停機(jī)、故障時(shí)間段內(nèi)及測(cè)量扇區(qū)之外等的數(shù)據(jù)，具體需剔除以下數(shù)據(jù)：

（1）風(fēng)速以外的其他外部條件超出風(fēng)機(jī)的運(yùn)行范圍；

（2）風(fēng)機(jī)故障引起風(fēng)機(jī)停機(jī)；

（3）在測(cè)試或在維護(hù)運(yùn)行中人工停機(jī)；

（4）激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀故障；

（5）干擾扇區(qū)的數(shù)據(jù)；

（6）棄風(fēng)限電以及自身限電期間數(shù)據(jù)。

將測(cè)試風(fēng)機(jī)風(fēng)速、功率參數(shù)按照上述剔除規(guī)則進(jìn)行剔除，處理后的數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)輪轂高度風(fēng)速及實(shí)測(cè)功率散點(diǎn)圖

圖4 IG B T過(guò)溫限功率散點(diǎn)

圖3中，深色原點(diǎn)為剔除數(shù)據(jù)，淺色星點(diǎn)為保留數(shù)據(jù)。其中，在低風(fēng)速段有一部分測(cè)風(fēng)儀精度降級(jí)予以剔除。在功率為1500kW附近有大量的散點(diǎn)被剔除，這是由機(jī)組自身IG BT過(guò)熱限功率造成。經(jīng)統(tǒng)計(jì)限功率時(shí)間總長(zhǎng)為93.7h，通過(guò)與保證功率曲線對(duì)比，限功率時(shí)間段內(nèi)損失發(fā)電量為8871.88kW h。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，參照標(biāo)準(zhǔn)，將所選數(shù)據(jù)組采用區(qū)間法存儲(chǔ)，風(fēng)速范圍劃分為測(cè)試風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速以下1m/s起，以0.5m/s整數(shù)倍的風(fēng)速為中心，左右各0.25m/s的連續(xù)區(qū)間，分別計(jì)算各區(qū)間平均風(fēng)速和平均功率。

4.2 與保證功率曲線對(duì)比

將風(fēng)機(jī)保證功率曲線處理成區(qū)間化的功率曲線表，繪制成對(duì)應(yīng)功率曲線，如下圖所示。

圖5 基于測(cè)試風(fēng)機(jī)輪轂高度處風(fēng)速的實(shí)測(cè)功率曲線、S C AD A功率曲線與廠家保證功率曲線對(duì)比

由圖5可以看出基于測(cè)試風(fēng)機(jī)輪轂高度處風(fēng)速的實(shí)測(cè)功率曲線、SCA D A功率曲線在中低風(fēng)速段均略高于廠家提供的保證功率曲線；在高風(fēng)速段略低于廠家提供的保證功率曲線?？赡茉蚴牵?）廠家在投標(biāo)過(guò)程中提供的功率曲線是靜態(tài)功率曲線；2）測(cè)試時(shí)湍流情況與廠家保證功率曲線所考慮的湍流情況不一致。

5 結(jié)語(yǔ)

為對(duì)機(jī)組功率曲線進(jìn)行科學(xué)可靠的驗(yàn)證，本文提出一種結(jié)合風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)的功率曲線驗(yàn)證方法。實(shí)驗(yàn)證明，該方法可以正確的測(cè)量機(jī)組功率曲線，有助于發(fā)現(xiàn)機(jī)組實(shí)際功率曲線與保證功率曲線之間的差異。后續(xù)研究中，可以進(jìn)一步挖掘機(jī)艙后風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速之間的關(guān)系，為風(fēng)電機(jī)組的評(píng)估提供參考依據(jù)。

[1]W orld W ind Energy Association.W ind Energy International 2009～2010[M].Bonn:W orld W ind Energy A ssociation,2009.

[2]W ind Turbines Generator System s Part 12：W ind turbine Pow er Perform ance Testing[S].IEC

[3]焦渤，薛揚(yáng)，李慶，等.風(fēng)電機(jī)組功率特性和載荷測(cè)試場(chǎng)地標(biāo)定方法[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（4）：54-56.

[4]馬平，劉昌華.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線的驗(yàn)證[J].可再生能源，2008，（6）：82-83.

[5]王鈐，潘險(xiǎn)險(xiǎn)，陳迎，等.基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速-功率模型的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，（42）：23-27.

修回日期：2016-12-02

構(gòu)皮灘水電站第一級(jí)升船機(jī)廠內(nèi)機(jī)電聯(lián)調(diào)試驗(yàn)通過(guò)驗(yàn)收

2017年3月8日至10日，由杭州國(guó)電機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司承擔(dān)的貴州烏江構(gòu)皮灘水電站第一級(jí)升船機(jī)廠內(nèi)機(jī)電聯(lián)調(diào)試驗(yàn)在江蘇武東順利通過(guò)驗(yàn)收。

驗(yàn)收組聽(tīng)取了廠內(nèi)機(jī)電聯(lián)調(diào)安裝、調(diào)試、監(jiān)造情況及構(gòu)皮灘水電站升船機(jī)項(xiàng)目管理情況的匯報(bào)，查閱了文件資料，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。經(jīng)審查評(píng)定認(rèn)為，試驗(yàn)資料詳實(shí)、齊全，同意通過(guò)驗(yàn)收。此次驗(yàn)收設(shè)備含8套高速驅(qū)動(dòng)裝置、8臺(tái)減速器、16套卷筒裝置及相關(guān)設(shè)備。

來(lái)自杭州國(guó)電機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司、華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)院有限公司、貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司、構(gòu)皮灘電站建設(shè)公司等相關(guān)單位人員參加驗(yàn)收。

A Method to Verify the Wind Speed-power Curve of Wind Turbine

LIU Yang-lin1，YE Xiao-guang2，YANG Chao1，LIU Qing-chao1
（1.Yunnan Huadian New Energry Co.，Ltd，Kunming 650228，China；2.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

In the processofwind powergeneration,the pow ercurve ofwind turbine is an im portantindex to evaluate the perform ance ofthe wind turbine,w hich is related to the actualperform ance ofthe wind turbine and the actualbenefitsof the wind farm..In this paper,based on the IEC61400-12 standard,the w ind speed pow erdata recorded by the SCAD A system isused to verify the powercurve ofwind turbinesin a wind farm.And the perform ance ofwind turbine generatorisevaluated according to the m easured w ind speed-pow ercurve.

SCAD A；m easured data；pow er curve；perform ance evaluation

TM 315

B

2095-3429（2017）01-0059-04

2016-06-20

劉陽(yáng)林（1968-），男，助理工程師，從事風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行、風(fēng)電機(jī)組故障診斷和檢修工作。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.014