风能资源在机组性能后评估中的应用方法

文 | 薛浩宁

后评估背景

在复杂地形下，每台风电机组处的风能资源均是不同的，而机组的性能表现与所处的风能资源情况息息相关，在后评估过程中应结合具体的风能资源情况评估机组的实际性能。机位处的空气密度、风切变、湍流强度影响功率曲线的表现；机组的控制性能理论上要追踪机位处风能资源的最优控制性能。

2016年，我国风电装机规模为16873万千瓦，上网电量为2410亿千瓦时；同年美国风电装机规模为8218万千瓦，上网电量为2240亿千瓦时。在同样的资产效率下，2016年我国风电的上网电量应达到4599亿千瓦时，实际则较美国低2189亿千瓦时；排除弃风限电的影响（2016年弃风限电率为17.1%），仍低1692亿千瓦时。这从侧面反映了我国风电的资产效率低下，主要与前期设计和实际不一致，存在低效资产、故障频发、功率曲线不达标、运维效率低下等问题相关。而要找到以上问题的原因，需要运用前期设计资料、后期运行数据等。其中能够反映机位点处风能资源水平的只能是机组的SCADA数据，它包含风速、风向、湍流强度、空气密度，但是机组的风能资源数据并不是真实的。本文将论述这些问题所在，并阐述依据这些风能资源数据如何对机组的性能进行后评估。

机舱风能资源数据处理方法

一、机舱风速的处理方法

由于每台机组上的风速仪受到叶轮的扰动，风速数据采集存在偏差，再加上经过长时间运行后每台风速仪的精度不一，造成机组间的风速并不具备可比性。为保证风速数据具备相同的标准，有必要引入风能的概念。风能涵盖了空气密度、风切变、风转向、风速仪精度。依据风能的概念修正的风速需要考虑叶片和传动链的差异。但是在相同条件下，叶片和传动链的差异通过被认为是相同的，可以忽略不计。

通过绘制某风电场功率曲线，并修正风速，机组间的整体标准差变小，说明功率曲线集中度增加，也可以表明此种方法可以消除一定的风速不确定性。

二、机舱风向的处理方法

机组的风向标N点与机舱固定，而机舱要随风偏航，所以，风向标N点不固定且数值在N线附近波动。以上问题造成机舱风向标采集的风向并不是真实的。对于风向数值的处理，需要将机舱位置角度加上风向标与N点夹角。

某风电场的某台机组风向经过修正后与邻近测风塔风向分布一致，说明此种方法能够还原真实风向。

三、轮毂高度处空气密度的处理方法

由于在风电机组上不能采集实时空气密度，因此，可以根据公式（1），利用海拔高度和温度数据计算空气密度：

图1 修正风速与未修正风速功率曲线标准差对比

图2 测风塔风向分布（左）与机舱风向分布（右）

式中：

H—轮毂中心的海拔高度；

T10min—10min 平均环境温度；

ρ10min—10min 平均空气密度。

在上述折算计算中，保证机组采集的环境温度，没有受机组的影响。

依据风能资源修正标准化功率曲线

一、空气密度对机组性能的影响及修正方法

在实际测量中，由于空气密度对功率曲线有一定的影响，因此，对于空气密度与标准空气密度存在差异的测试环境，需要对功率数据进行数据回归折算，而对于处于相同环境的风电机组可不进行数据折算。

对于变桨距风电机组，根据公式（2）对10min 平均风速进行折算：

式中：

N10min—测试周期内的10min 平均数据的个数；

ρ0—标准空气密度（1.225kg/m3）；

ρ10min,i—第i 个10min 平均空气密度；

V10min,i—第i 个10min 平均风速；

Vm,i—第i 个折算后的10min 平均风速。

二、风切变对机组性能的影响及修正方法

如果风力发电机组转子面积上的风速是恒定的，轮毂高度上的风速将代表风力发电机组转子面积上的风速，并且使用轮毂高度风速也是合理的。然而，风电机组轮毂高度上的风速对于大型风电机组来说可能不具有代表性。因此，有必要引入修正，以考虑风切变引起的风速在风轮扫风面上的变化。推荐使用机舱遥感设备测试实际的风切变数据。

转子等效风速是当考虑垂直风切变时对应于转子扫掠区域的动能的风速。转子等效风速定义为：

式中：

nh—可用测量高度的数目；

vi—在高度i的风速(实测或依据风切变推算)；

A —由转子扫过的完整区域（即半径r为πr2）；

Ai—第i段的区域，即风速Vi代表的段，由方程（2）导出。

通过计算115/2000型机组在不同塔架高度和不同风切变下等效风速与轮毂中心处的风速比值，结果见表1。

表1 115/2000型风电机组的等效风速系数

三、湍流强度对机组性能的影响及修正方法

静态曲线基本上由所采用的叶片最优Cp、λ决定的，是湍流为零的情况下的曲线；动态功率曲线是考虑湍流强度影响的曲线。

低风速段：由于相同风速下，湍流大，风能大，所以理论上动态功率曲线要较静态略好；高风速段：由于额定功率的限制及变桨控制的介入，理论上动态功率曲线要较静态明显差。

图3 不同湍流下的功率曲线对比

图4 湍流较大与湍流较小情况下的功率曲线对比

采用概率统计的方法修正的功率曲线效果如图3（只考虑湍流的影响，未考虑控制器及惯性等因素的影响）。

风电机组实际运行过程中湍流较大和湍流较小的情况功率曲线对比如图4所示。实际运行情况显示，在大湍流情况下，低风速段功率曲线表现要优于高风速段，与仿真结果情况一致。

将实际运行的功率曲线修正至参考湍流强度的方法简述为：

（1）依据实际功率曲线的最大Cp确定实际的静态功率曲线；

（2）依据测量的湍流仿真时间序列的数据得到P(1)；

（3）依据参考的湍流仿真时间序列的数据得到P(2)；

（4）测量的功率为P；

（5）参考湍流的修正功率P(3)=PP(1)+P(2)；

（6）对P(3)和风速进行10min平均，并用BIN法绘制功率曲线得到最终情况的参考湍流功率曲线。

依据风能资源评估机组实际性能

一、机舱对风偏差分析

在运行过程中，风电机组需要调整机舱角度即进行偏航，使机组正确对风，使叶轮垂直于来流风向以获得更高的风能转化效率，从而得到最优的发电功率。机舱与来流风向的角度，即偏航误差对风能吸收的影响为cos³θ的关系。若偏差在10°时，将带来将近5%的功率损失。

风电机组进行偏航的判断依据为风向标与机舱夹角的大小，即偏航角。夹角的正负决定偏航的方向，夹角的大小及夹角对应的风速决定偏航动作的及时性。偏航角由风标与风向标N点或S点的相对位置计算所得。风向标N点为风向标180°的位置，S点为风向标0°的位置，风向标安装在机舱外的气象架上，且N-S点需与机舱舱中线平行并固定。机组主控系统判断的依据是，在对准风的情况下，风标位置处于风向标的N-S线上；未对准风时，则偏离N-S线。在风电机组运行过程中即使风标在风向标的N-S线上，偏航误差也会存在，主要的原因如下：

（1）在没有精确校准设备或气象架、没有参照点的情况下，风向标本身及安装会存在一定误差；

（2）风向标安装的气象架的安装位置及水平程度，将给风向标N-S线带来偏差；

（3）风力发电机叶轮的转动会对来流风向扰动，造成风向标采集数据不准，也会带来误差。

偏航误差指以上三点所产生误差的总体表现。在此种条件下，即便使用精确度高的测风设备，由于其他两点的影响，风向标采集的数据也存在失真。

偏航误差的分析主要是考虑在相同风速下，不同偏航角对应的功率是存在一定规律的，见图5。对于有技术条件修正控制系统参数的情况，可以将偏航角减去不同代表风速下偏航误差，以达到修正风向标N-S位置的目的。对于没有技术条件修改控制系统参数的情况，可以依据风速段内偏航误差的平均值，调整风向标的N-S位置，以达到近似的目的。

二、转矩控制分析

在目前的主流控制策略下，机组要在更宽的范围内追踪最优的叶尖速比，以达到追踪最优的Cp的目的。由于风速受到更多的扰动，一般主控系统控制系统输入为发电机转速信号，依据转速信号控制变频器输出的功率。

转矩计算的公式为：

图5 偏航角与功率对应关系

K值与风电场的空气密度相关，所以，转矩控制分析主要考量在最优Cp段是否追踪了当地空气密度下的风能利用系数。

三、启动控制分析

除人为启动外，机组自动启动的条件分为依据风速或转速。依据风速和转速启动均需要风能达到一定的程度，与空气密度直接相关。后评估中需要评估风速或转速是否依据当地空气密度进行相关的修正。

总结

机组性能表现与风能资源情况息息相关。本文结合实际的风能资源阐述了空气密度、风切变、湍流强度对机组性能的影响，提出如何依据这三种参数进行功率曲线标准化，如何将机舱风速仪、风向标修正至相同的参考系，使其具备可比性的方法。