功率曲线特性测试仪有效风速补偿算法的研究

文 | 叶林，冯标，钟德华，赵重阳，蔡晓峰

功率曲线特性测试仪有效风速补偿算法的研究

文 | 叶林，冯标，钟德华，赵重阳，蔡晓峰

随着我国风力发电的迅速发展，以及大型风电机组制造本地化的不断深入，在机组研制和运行过程中，对机组功率曲线特性进行评估显得尤为重要。通过评估机组实际功率曲线可以反映出机组多方面特性的优劣，对机组的设计和制造过程中的质量控制以及后期运行过程中的技改提升有着指导作用。但是，生成准确的功率曲线需要机组的有效风速和有功功率，由于测量风速的功率曲线测试仪安装于机舱尾部，叶轮转动所引起的尾流效应等影响，使得实测风速与有效风速之间存在一定的偏差。因此，需要研究一种利用实测风速的补偿算法，计算得到有效风速。经过大量的数据分析，能够证明此有效风速能够生成较为准确的功率曲线。目前，我国机组的功率、风速等指标的检测主要通过机组主控系统的检测设备和风电场测风塔，很多单位对功率曲线的检测已取得了一些成果，但对实测风速的补偿算法和功率曲线测试仪产品的研究尚处于起步阶段。

本文提出了一种基于大量功率曲线测试仪和激光雷达测风仪所采集风速数据的相关性分析，研究该功率曲线测试仪有效风速的补偿算法，最终生成风电机组有功功率与有效风速的功率曲线，从而实现准确评估风电机组风能利用率和实际发电效率的目的。

风速及有效功率的数据采集与测量

一、数据测量对象

数据测试对象为3台双馈型1.5MW机组，分别为机组#1、机组#2和机组#3，均为山地高原型机组。每台机组的机舱尾部装有2个机械式风杯、一套功率曲线测试仪，机组#1与机组#2的侧面平行位置装有一台激光雷达测风仪。

二、数据采集工具

（一）功率曲线特性测试仪。它能独立地测量风电机组的有功功率与风速等数据，精度：CT 0.2级，电能检测模块精度：0.5级，超声波风速仪偏差：±3%，功率曲线特性测试仪结构图如图1所示。

（二）激光雷达测风仪。Zephir公司的ZP3000测风仪，可采集机组附近各度梯度的自由风速、风向、气压、湍流强度等数据，风速测量精度：0.5%。

（三）风电机组主控系统。机组主控系统采集机组的有功功率和风速等数据。

三、数据测量方法

（一）数据收集。同步采集数据的基准时钟，汇总功率曲线测试仪和风电机组主控系统采集的有功功率和风速，以及激光雷达测风仪采集的风速，采样时间上具有分段连续性。测风仪安装位置如图2，满足IEC61400和GL标准。

（二）数据平均值。由于风速具有较大的随机性，考虑风速仪的风速响应速度等因素，对采集数据作了滤波处理，计算10min平均值。

（三）风速切变。考虑了不同高度梯度下风速变化的影响，选择与功率曲线测试仪处于同一高度层的测风仪数据进行比对分析。

（四）湍流强度。数据分析中已充分考虑湍流强度等因素的影响。

（五）数据处理。根据风电机组、测试设备的运行状况对采集数据进行筛选，剔除无效数据。

风速及有效功率的数据分析

一、数据分析工具

数据分析工具采用Matlab拟合工具箱cftool。

二、功率测试仪与风电机组主控系统所采集数据相关性分析

数据相关性分析，旨在说明功率曲线测试仪和风电机组主控系统所采集数据的相关性较强（相关性指两个变量之间的密切程度），确保采集数据切实可用。

（一）风速的相关性分析

通过分析工具，生成功率曲线测试仪与主控系统所采集风速的散点图。X1为功率曲线测试仪采集风速，Y为风电机组主控系统采集风速。图3为风电机组#1的风速散点图，大量散点分布在对角线区域。

cftool工具线性拟合方法可以得到相关性参数；风电机组#1主控系统采集风速与功率曲线特性测试仪采集风速之间关系为Y＝1.022 X1，它的风速线性关系图如图4所示。

对采集风速做相关性分析，得到相关系数为ρX1Y＝0.964，根据相关系数范围：0.8<ρX1Y≤1，具有极强相关性。

（二）有功功率数据相关性分析

对功率曲线测试仪和风电机组主控系统采集的有功功率进行比对分析，P1为功率曲线测试仪采集的有功功率，P2为机组主控系统采集的有功功率。

机组#1的有功功率散点图如下图5所示，散点集中在对角线区域。通过线性关系拟合，两者之间的关系为P2＝1.062 P1，有功功率线性关系图如图6所示。

对采集数据点做相关性分析，得到相关系数为ρP1P2＝0.957，根据相关系数范围：0.8<ρP1P2≤1，具有极强相关性。

三、功率测试仪与激光雷达测风仪采集风速相关性分析

图7为机组#1的功率曲线测试仪与激光雷达测风仪采集风速进行对比分析，显示激光雷达测风仪采集风速比功率曲线测试仪采集风速值大，拟合线性函数：Z＝1.197X1，X1为功率曲线测试仪采集风速，Z为激光雷达测风仪采集风速。对两组数据做相关性分析，相关系数为ρX1Z＝0.684。

从两组数据做的相关性分析和图7的数据显示可以看出，功率测试仪与激光雷达测风仪两个设备所采集到的风速并没有极强的相关性。

根据IEC61400-12标准对风速测量的具体要求，考虑到IEC61400-12标准是对相对严格的型式试验而作的规定，因此，为提高功率曲线测试仪的便利性，本文采用对机组尾部实测风速数据进行补偿，来达到接近IEC61400-12标准的方法。

有效风速补偿算法

激光雷达测风仪采集风电场的自由风速，功率曲线测试仪采集机组尾流风速，通过风速补偿算法得到风电场自由风速与功率曲线测试仪采集风速之间的拟合关系，以达到补偿功率曲线测试仪采集风速、计算有效风速的目的。

风速补偿算法以功率曲线测试仪采集风速为输入，激光雷达测风仪采集风速为输出。拟合时使用样本点分布在机组运行时的风速范围，数据来源于被检测机组#1和机组#2。

根据散点分布情况做分段拟合，得到如下函数模型，X2为补偿后的功率曲线特性测试仪风速：

根据风速补偿算法的拟合函数计算得到机组#2某时间段补偿后的有效风速，补偿后的有效风速与激光雷达测风仪采集风速曲线如图9所示。图9中显示为补偿后的有效风速与激光雷达测风仪采集风速较为接近，拟合线性函数：Z＝1.0565 X2，计算相关系数为ρX2Z＝0.836，相关性有所提高。

由图7和图9两图对照可以看出，有效风速补偿算法提高了功率测试仪与激光雷达测风仪两个设备所采集风速的相关性，增强了实测风速的精确度，最终实现准确评估风电机组风能利用率和实际发电效率的目的。

有效风速功率曲线

根据功率曲线测试仪的风速补偿算法，通过拟合函数得到补偿后的有效风速，生成基于有效风速的功率曲线，此功率曲线即为功率曲线特性测试仪所生成的功率曲线。

图10和图11分别为云南某风电场两台1.5MW机组（下文分别称机组#1和风电机组#2）的功率曲线特性测试仪所测功率曲线、风电机组主控功率曲线（备注：风电机组主控功率曲线为整机厂商SCADA软件所生成的功率曲线。）和机型保证功率曲线。

下文分别以风电机组主控功率曲线低于保证功率曲线

和主控功率曲线高于保证功率曲线的两种情况为例，说明使用功率曲线特性测试仪可以准确地检测此两台风电机组的实际功率曲线特性。

图10为机组#1的主控功率曲线低于保证功率曲线，主控功率曲线对比保证功率曲线，发现主控功率曲线在风速＜10m/s时，接近合同的保证功率曲线，在风速＞10m/s时，主控功率曲线明显低于保证功率曲线（大概50kW）。功率曲线特性测试仪所测功率曲线明显低于保证功率曲线和主控功率曲线，爬坡段的功率曲线偏差较多，说明经功率曲线特性测试仪检测后证明，机组#1的主控功率曲线不合格。分析原因后发现该机组采用转速-转矩查表法控制，改进主控程序控制算法后机组功率曲线在爬坡段有了大幅提升，同时对该机组风速仪进行了维护和程序升级。

图11为风电机组#2的主控功率曲线高于保证功率曲线，主控功率曲线对比保证功率曲线，发现主控功率曲线在整个风速段内，主控功率曲线都高于保证功率曲线，说明该风电机组的功率曲线合格。当风速<10m/s时，功率曲线特性测试仪所测功率曲线高于保证功率曲线；当风速>10m/s时，功率曲线特性测试仪所测功率低于保证功率曲线，说明经功率曲线特性测试仪检测后证明，风电机组#2的主控功率曲线不合格。分析原因后发现该机组主控功率测量值为发电机机端功率，而功率曲线特性测试仪测量的是机组送出功率（变流器网侧功率），将该机组额定功率限值少量增加至1.55MW。

结论

功率曲线测试仪能够独立地检测且直接反映风电机组的风能利用率和实际发电效率，对风电机组研制和技术改进有着十分重要的意义。根据风电机组功率曲线测试仪研究的要求，本文提出了一种有效风速的补偿算法。从仿真结果可以看出，有效风速的补偿算法可以较准确地补偿实测风速的偏差，并生成更符合实际工况的功率曲线，对已投运风电机组功率曲线的测定和机组开展技改工作都有着十分重要的作用。

（作者单位：叶林，冯标：华能洱源风力发电有限公司；钟德华：福氏新能源技术（上海）有限公司；赵重阳，蔡晓峰：沈阳华创风能有限公司）