浅谈风力发电机组的风速功率曲线

浅谈风力发电机组的风速功率曲线摘要：本文介绍了风电机组风速功率曲线的定义及的相关指标术语，分析了风速功率曲线的作用和影响因素，并结合行业案例，阐述了风速功率曲线的实际应用。风速功率曲线可用于风电机组异常运行数据的清洗、故障诊断和风电机组发电控制策略的优化等。关键词：风速；功率；风速功率曲线；异常数据；故障诊断；优化1.引言对于风力发电机组，考核机组性能、评估发电能力，始终贯穿于整个机组设计、风场选址、机组发电、机组运维等全过程中。如何合理地提高机组运行效率、评估机组运行状况，始终是业内的一个重要研究课题。本文给出了风场风速功率曲线的定义、作用、影响因素、分析方法以及解决的实际问题，旨在通过对风速功率曲线的介绍、现有方法的分析和讨论及其应用，对其应用前景和发展方向进行归纳总结。1.风速功率曲线定义根据IEC6140012标准的定义，风力发电机组的风速功率曲线是风力发电机组输出功率随10min平均风速变化的关系曲线，如果不考虑其他因素（忽略风电机组的内部特性），风力发电机组输入的风速是影响其输出功率（即有功功率）的主要因素。其中，为风电机组输出的有功功率，单位为-，为测量的风速，单位为京•'、，。对于每一种风力发电机组的机型，生产厂商都会有一个理论风速功率曲线，通过实际风速功率曲线与理论风速功率曲线的对比，可判断风力发电机组是否处于超负荷、欠负荷或正常负荷运转。然而由于风电机组的实际运行环境与理想设计环境有较大差别，导致理论风速功率曲线在实际风场中产生偏差，因此为了能真实反映风力发电机组的实际运行状态，需要构建风场实际的风速功率曲线。图1展示了国内某风场2.5MW机型10台机组的实际风速功率散点与理论风速功率曲线，从图中可以看出，实际的风速功率散点与理论风速功率曲线之间存在某些偏差。图1某风场10台2.5MW机组的实际与理论风速功率曲线1.风速功率曲线的作用在风力发电机组的设计阶段，风速功率曲线可以从理论上可以确定风力发电机组的功率特征与运行特点，并且可以从理论上来评估风电机组的发电量与发电效率，进而衡量风电机组的风能转换能力。因此风速功率曲线为风场选址提供了重要的技术考核指标，同时也是机组发电性能的一个重要指标。风速功率曲线的理论设计是风电机组整体设计的重要内容，IEC6140012标准中有如下定义：风速：流经风轮扫掠区域的风的有效动能通量。切入风速：使风力机开始发电的最低风速。切出风速：由于风速过高使得风力机与电网断开的风速。功率：风力发电机组发电能力的度量。测量功率曲线：按确定的测量程序测试，修正和标准化处理后，风力发电机组净电功率输出与风速的函数关系，用图形和表格表示。通过这些定义指标，可将理论风速功率曲线刻画出来，使得风速与功率之间的关系达到一个平衡，可根据实际不同的运行条件辅助调整控制策略与运行方式，使风电机组的实际发电量最大。评价风电机组发电性能，应当比较切入风速到切出风速之间（发电范围）各风速下，风电机组输出功率的大小。1.风速功率曲线的影响因素评价一个风电机组的发电性能好坏，主要是根据风速功率曲线来判断。但风速功率曲线受实际风场情况、叶片、湍流强度、空气密度、风切变等的影响。1） 风场实际复杂地形的影响。复杂地形主要是考虑距离机组一定距离内的地形高度偏差及坡度对机组的影响，复杂地形会对机组周围的风湍流造成较大影响，使得风速、风向都呈现更多的变化性，因此针对地形倾角，需要采用影响因子进行修正。2） 湍流强度的影响。湍流强度是指脉动风速（瞬时风速与平均风速的差）的均方差与平均风速的比值。根据IEC标准，当湍流强度大于0.18时，表明湍流处于较高水平，当湍流强度小于0.14时，湍流处于较低水平。3） 叶片的影响。叶片是机组受力、发电的重要部件。如果风电机组叶片受污染，叶片表面的污染物将影响叶片气动性能，并过早的造成涡流，将会减少机组的功率输出，因此根据相应的损失因子对风速功率曲线进行修正。此外，还需要考虑空气密度、风速测量等方法对风速功率曲线的影响。1.风速功率曲线的实际应用风速功率不仅可以用来评估风电机组的发电性能，在实际应用中还发挥着巨大作用。1）风电机组运行数据的清洗。风电机组运行过程中存在诸多异常情况，如计划外停机、风速测量传感器失灵、弃风限功、机组脱网、叶片受损等情况，这些异常情况会产生异常数据，因此可根据风速功率曲线进行数据清洗。如图2中编号为1、2、3处的异常数据，需要清洗。图2风场10台2.5MW机组的风速功率散点2） 故障诊断。风速功率散点中所体现出的异常数据往往代表这机组某种故障或异常。如图2中，编号3处，表现为风速达到发电要求，但机组却未发电，可能是机组故障、采集设备故障、通信传输设备故障等情况；编号2处，表现为风速达到发电要求，但机组出力很低，可结合温度的判断是否叶片结冰；编号1处，表现为风速达到发电要求，但机组出力较低，可能是机组限功等原因。3） 超发与无法满发。将实际风速功率曲线与理论风速功率曲线进行对比，超过额定风速后，如果机组的实际功率大于理论额定功率，则机组处于超发状态;如果机组的实际功率小于理论额定功率，则机组处于无法满发状态。实际风速功率曲线的优化。根据风场的历史运行状况，利用风场发电机组的历史运行数据，可对每个风速区间拟合出最优的风速与输出功率之间的关系，为实际风速功率曲线的优化提供理论依据。1.结语本文基于风力发电机组功率曲线的定义,分析了风速功率曲线的作用及其影响因素，进而阐述了风速功率曲线的实际应用。从本文的内容来看，风速功率曲线在机组的整个设计过程、风场选址、发电性能评估、机组相关故障的诊断等方面均发挥了重要作用。参考文献李军军，吴政球，谭勋琼等.风力发电及其技