風(fēng)電機(jī)組功率特性曲線影響因素分析

0風(fēng)電場運(yùn)行功率曲線的影響因素用風(fēng)裝置使用的風(fēng)處于自然狀態(tài)。風(fēng)裝置的實(shí)際運(yùn)行功率曲線是由風(fēng)裝置通過設(shè)定的功率曲線和后臺軟件形成的。由于受到溫度、氣壓、葉片污染及機(jī)組自身特性等因素的影響,不同風(fēng)電機(jī)組所處的自然環(huán)境不同。因此,從風(fēng)電場實(shí)際看,不同風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組形成的功率曲線不同;同一風(fēng)電場不同風(fēng)電機(jī)組之間的功率曲線有差別;同一臺風(fēng)電機(jī)組在不同時間所形成的功率曲線也不盡相同。分析實(shí)際運(yùn)行功率曲線的形成和影響因素,便于理解實(shí)際運(yùn)行功率曲線與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線之間的差異。了解影響風(fēng)電機(jī)組功率特性的因數(shù),有利于把風(fēng)電機(jī)組調(diào)整到較好的工作狀態(tài),以增加風(fēng)電機(jī)組的出力。1實(shí)際機(jī)組運(yùn)行功率曲線的確定問題所謂風(fēng)電機(jī)組的功率曲線,一般是指風(fēng)電機(jī)組輸出功率隨風(fēng)速變化的關(guān)系曲線。風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際效率主要通過風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的功率曲線得到反映,實(shí)際功率曲線的好壞綜合反映了風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。標(biāo)準(zhǔn)功率曲線是在標(biāo)準(zhǔn)的工況下,根據(jù)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算給出的風(fēng)速與有功功率的關(guān)系曲線。標(biāo)準(zhǔn)功率曲線所對應(yīng)的環(huán)境條件是:溫度為15℃,1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1013.3hPa),空氣密度為1.225kg/m風(fēng)電場的實(shí)際工況與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線給定的環(huán)境條件之間存在很大的差異,這就決定了實(shí)際運(yùn)行功率曲線與標(biāo)準(zhǔn)給定功率曲線的區(qū)別。目前,研究風(fēng)電機(jī)組葉輪的空氣動力問題有3種方法:理論計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)電場測試。風(fēng)洞試驗(yàn)主要用于基礎(chǔ)研究和小型風(fēng)電機(jī)組的性能測試,風(fēng)電場測試主要用于大型風(fēng)電機(jī)組的性能測試和應(yīng)用研究。要研究和得到較為準(zhǔn)確的反映兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際功率性能曲線,需要理論計(jì)算與風(fēng)電場測試相結(jié)合自然狀態(tài)的風(fēng),不受人為控制,其流動十分復(fù)雜,一般為湍流。人類對湍流進(jìn)行了長達(dá)100多年的研究,雖然取得了不少進(jìn)展,并解決了不少工程問題,但是由于湍流運(yùn)行的極端復(fù)雜性,其基本機(jī)理至今仍未完全掌握,而且不能準(zhǔn)確地定義并定量地給出湍流運(yùn)動特性。這就給風(fēng)電機(jī)組功率曲線的數(shù)字模擬帶來了困難。風(fēng)電機(jī)組功率特性的理論計(jì)算還存在諸多局限,需要用風(fēng)電場測試加以補(bǔ)充和完善2氣象和環(huán)境條件對風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)風(fēng)電機(jī)組的功率特性除取決于風(fēng)電機(jī)組的性能外,還取決于氣象環(huán)境條件以及風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)電場中的排布等。下面對風(fēng)電機(jī)組功率曲線的影響因素進(jìn)行分析。2.1海拔高度對功率曲線的影響海拔高度增加,空氣密度降低。海拔越高,空氣的大氣壓力就會隨之變小,如圖1所示。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組安裝在高海拔地區(qū)時,由于那里的空氣密度低,輸出功率減小,從而影響風(fēng)電機(jī)組的功率曲線。圖2給出了Vestas600kW變槳距風(fēng)電機(jī)組和定槳距風(fēng)電機(jī)組在不同海拔高度處的功率曲線。對于定槳距失速風(fēng)電機(jī)組,隨著海拔高度的增加,整個風(fēng)電機(jī)組功率曲線在同樣風(fēng)速下的發(fā)電功率降低,大于滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速,功率降低更為明顯,如圖2(a)所示對于變槳距風(fēng)電機(jī)組,隨著海拔高度的增加,在滿負(fù)荷發(fā)電功率前的所有風(fēng)速段,相同風(fēng)速下的功率都下降;滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速值增加,對中高風(fēng)速段影響較為明顯;大于滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速時,風(fēng)電機(jī)組通過收槳進(jìn)行恒功率控制,不影響功率曲線的形成,如圖2(b)所示。2.2在不同溫度下,vesas溫度升高會造成空氣密度的降低,如圖3所示,使得同樣風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組出力降低?？諝庵羞€有水蒸氣,即空氣存在一定的濕度,濕度對空氣密度也有一定的影響。潮濕的空氣比干燥的空氣輕。因此,空氣中的水蒸氣增加,空氣密度會降低,風(fēng)電機(jī)組出力降低當(dāng)風(fēng)電機(jī)組安裝在低溫地區(qū)時,由于空氣密度變大,輸出功率也隨著增大;反之,在高溫地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組其輸出功率減小。圖4給出了Vestas600kW變槳距風(fēng)電機(jī)組與定槳距風(fēng)電機(jī)組在不同溫度下的功率輸出曲線。對于定槳距失速風(fēng)電機(jī)組,隨著溫度的增加,整個風(fēng)電機(jī)組功率曲線在同樣風(fēng)速下的發(fā)電功率降低,在接近和大于滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速時,功率降低更為明顯,如圖4(a)所示。對于變槳距風(fēng)電機(jī)組,隨著溫度的增加,在滿負(fù)荷發(fā)電功率前的所有風(fēng)速段,相同風(fēng)速下的功率都有所下降;滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速值增加,對中高風(fēng)速段影響較為明顯;在大于滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速時,風(fēng)電機(jī)組通過收槳進(jìn)行恒功率控制,不功影響率曲線的形成,如圖4(b)所示2.3陣風(fēng)風(fēng)速與平均風(fēng)速的關(guān)系接近地面的空氣層流動速度時小時大,形成“陣風(fēng)”。陣風(fēng)產(chǎn)生是空氣擾動的結(jié)果。陣風(fēng)的風(fēng)速一般要比平均風(fēng)速大50%或更高。平均風(fēng)速越大,地面越粗糙,陣風(fēng)風(fēng)速超過平均風(fēng)速的百分比越大。一次陣風(fēng)達(dá)到最大風(fēng)速后,約1s~2s后風(fēng)速就會小于平均風(fēng)速的一半,然后陣風(fēng)再出現(xiàn)另一次最大風(fēng)速對于變速風(fēng)電機(jī)組來說,當(dāng)輸出功率小于額定功率時,風(fēng)電機(jī)組可以根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率,使其葉輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳葉尖速比(λ由于陣風(fēng)的原因,風(fēng)的變化速度較快,葉輪慣性很大,使得葉輪轉(zhuǎn)速不能緊跟風(fēng)速的變化,從而偏離最佳葉尖速比,造成風(fēng)電機(jī)組的效率降低,功率曲線變差。2.4動狀態(tài)下翼型空氣動力特性變化在下雨時,一方面,葉片上的雨滴會改變氣流繞葉片的流動狀態(tài),使翼型空氣動力特性發(fā)生變化;另一方面,雨滴撞擊在葉片上并在離心力作用下從里向外甩出,使風(fēng)電機(jī)組功率減小,最大時損失的能量在20%以上,如圖5所示2.5表面粗糙度對功率特性的影響當(dāng)風(fēng)電機(jī)組上的風(fēng)輪葉片因沙塵、昆蟲和漏油等原因被污染時,會改變風(fēng)輪葉片表面的粗糙度,使翼型空氣動力學(xué)特性發(fā)生變化,減小功率輸出。如圖6所示2.6湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)機(jī)組特性湍流(紊流)是流體的一種流動狀態(tài)。空氣動力學(xué)中的湍流指的是短時間(一般少于10min)內(nèi)的風(fēng)速波動。湍流產(chǎn)生原因主要有兩個:當(dāng)空氣流動時,由于地形差異(例如,山峰)與地表產(chǎn)生的“摩擦”;由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應(yīng)空氣氣團(tuán)垂直運(yùn)動。這兩種運(yùn)動往往相互關(guān)聯(lián)。湍流強(qiáng)度是指風(fēng)速隨機(jī)變化幅度的大小,定義為10min內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均風(fēng)速的比值,即:湍流強(qiáng)度是風(fēng)電場的重要特性指標(biāo),它的計(jì)算、分析是風(fēng)電場資源評估的重要內(nèi)容。湍流對風(fēng)電機(jī)組性能的不利影響主要是減少功率輸出,增加風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷,最終削弱和破壞風(fēng)電機(jī)組。I湍流強(qiáng)度是描述風(fēng)速隨時間和空間變化的程度,反映脈動風(fēng)速的相對強(qiáng)度,是描述大氣湍流運(yùn)動特性最重要的特征量。風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組的湍流可以由當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件產(chǎn)生,也可以由風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組之間相互影響產(chǎn)生。圖7是湍流強(qiáng)度對變槳風(fēng)電機(jī)組功率曲線的影響,如圖所示。湍流強(qiáng)度越大,風(fēng)電機(jī)組的滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速越高,對功率曲線的影響越大。2.7尾流對風(fēng)電機(jī)組功率的影響風(fēng)電機(jī)組吸收風(fēng)中的部分能量,使得風(fēng)流過風(fēng)電機(jī)組后,其速度有所下降。在實(shí)際風(fēng)電場中,位于下游風(fēng)電機(jī)組處的風(fēng)速將低于位于上游風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速,風(fēng)電機(jī)組之間的距離越近,前面的風(fēng)電機(jī)組對后面風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速影響越大,這種現(xiàn)象叫尾流效應(yīng)。在風(fēng)電場中,位于尾流區(qū)的風(fēng)電機(jī)組由于來流速度損失使風(fēng)電機(jī)組功率輸出減小。因此,在風(fēng)電場布置風(fēng)電機(jī)組時,必須考慮尾流對風(fēng)電機(jī)組輸出功率的影響。風(fēng)電機(jī)組呈串列布置受尾流影響比斜列布置要大。風(fēng)電機(jī)組串列布置是指下游風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸線與上游風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸線重合的情況。圖8是用AV尾流模型計(jì)算處在尾流區(qū)不同截面上的風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪功率系數(shù)曲線由圖可知:在x/D=4時,計(jì)算達(dá)到的最大風(fēng)輪功率系數(shù)為沒有尾流影響的45%左右;在x/D=6時,為65%左右;在x/D=8時,為75%左右;在x/D=16時,為97%左右,尾流影響基本可以忽略圖9為現(xiàn)場實(shí)拍風(fēng)電機(jī)組受尾流影響照片。上游風(fēng)電機(jī)組對下游風(fēng)電機(jī)組的影響不斷擴(kuò)大,越是下游的風(fēng)電機(jī)組其受影響程度越深。圖10為某風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組呈串列布置后,上游風(fēng)電機(jī)組對下游風(fēng)電機(jī)組功率的影響。西風(fēng)(255°-285°),風(fēng)速8m/s-9m/s,風(fēng)電機(jī)組的間隔距離為500m。從圖中可以看出,由于尾流的影響,降低了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率,從而減少了發(fā)電量,也影響了風(fēng)電機(jī)組的功率曲線。2.8風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)偏航的頻繁程度圖11給出了不同風(fēng)輪對風(fēng)偏差角度的風(fēng)輪功率系數(shù)曲線。由圖可知:有對風(fēng)偏差角時,由于垂直于風(fēng)輪的來流速度減小,使風(fēng)輪功率系數(shù)減小,當(dāng)對風(fēng)偏差在±15°時,風(fēng)輪功率系數(shù)約減小10%。對風(fēng)偏差角越大,風(fēng)輪功率系數(shù)減小越多為了提高風(fēng)電機(jī)組的效率,需要進(jìn)行跟風(fēng)偏航。較小的對風(fēng)偏差角度有利于提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率,但是由于風(fēng)和風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn),只有在風(fēng)輪與風(fēng)向偏差較大時,風(fēng)電機(jī)組才進(jìn)行偏航。一方面,由于風(fēng)向可以在瞬間變化,風(fēng)輪的慣性很大。因此,風(fēng)電機(jī)組難以跟上風(fēng)向的變化,在一定的風(fēng)向偏差范圍內(nèi)風(fēng)電機(jī)組不進(jìn)行偏航。也就是說,風(fēng)電機(jī)組在一定的風(fēng)向范圍內(nèi)“以不變應(yīng)萬變”;另一方面,大型風(fēng)電機(jī)組為了避免頻繁偏航調(diào)向的交變載荷對結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響,通常在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,設(shè)定大于15°時,風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行偏航對風(fēng)按照Repower廠家的控制系統(tǒng)偏航參數(shù)設(shè)置,在風(fēng)速小于6m/s時,風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)偏差不超過±16°,風(fēng)電機(jī)組不進(jìn)行偏航,機(jī)頭與風(fēng)向的偏差角度在16°與25°之間,且時間超過120s,風(fēng)電機(jī)組才執(zhí)行對風(fēng)偏航;當(dāng)風(fēng)速大于7m/s時,風(fēng)向相對較為穩(wěn)定,這時偏航的角度和時間設(shè)置較小。按照Repower廠家的參數(shù)設(shè)置,對風(fēng)的偏差角度超過±8°,且時間超過60s,風(fēng)電機(jī)組執(zhí)行對風(fēng)偏航。實(shí)際風(fēng)電機(jī)組偏航的頻繁程度,由風(fēng)電機(jī)組所處風(fēng)況以及控制器設(shè)置的參數(shù)決定。在低風(fēng)速段且風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率較小時,偏航電機(jī)耗電占發(fā)電功率的比例較高,偏航的頻繁程度也是影響風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線的一個重要因素。因此,從風(fēng)場的實(shí)際情況來看,風(fēng)電機(jī)組不能跟上風(fēng)向是絕對的,能對上風(fēng)是相對的,風(fēng)電機(jī)組的機(jī)頭方向與風(fēng)向總會有一定的偏差。圖12是因?qū)︼L(fēng)偏差造成風(fēng)電機(jī)組葉輪風(fēng)能利用系數(shù)降低、效率下降的情況,影響風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線。2.9模型對實(shí)際運(yùn)行功率曲線的影響風(fēng)電機(jī)組的機(jī)型不同,在同等條件下,形成的風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線不同。2.9.1風(fēng)速對發(fā)電功率的影響定槳距是指槳葉與輪載的連接是固定的,槳距角固定不變。即當(dāng)風(fēng)速變化時,槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性,當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速,氣流的攻角增大到失速條件,使槳葉的表面產(chǎn)生渦流,效率降低,限制發(fā)電機(jī)的功率輸出。因此,當(dāng)風(fēng)速大于滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速時,隨著風(fēng)速的增加,風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率減小,如圖4(a)所示。變槳距是指安裝在葉輪上的葉片可以通過控制改變其槳距角的大小。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定功率以后,調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小,使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。因此,風(fēng)電機(jī)組在滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速以后,通過控制穩(wěn)定風(fēng)電機(jī)組的功率,風(fēng)電機(jī)組的功率不會隨風(fēng)速的變化而變化,如圖4(b)所示。2.9.2亞同步下轉(zhuǎn)子勵磁的吸收直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組沒有運(yùn)行轉(zhuǎn)速的下限,從原理上講,直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速可以更低,沒有齒輪箱,消除了齒輪箱的耗能,雙饋機(jī)組工作于亞同步時,轉(zhuǎn)子勵磁需要從電網(wǎng)吸收少量的能量,永磁直驅(qū)不需要勵磁,減少了能耗。因此,一般情況下,直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速段功率曲線較好。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組需要全功率變頻,所使用的是全功率變頻器,在功率較高時,變頻器的耗能較大,變頻器的功率原件與冷卻設(shè)備耗能比雙饋機(jī)組大得多,而雙饋機(jī)組采用的是部分功率變頻技術(shù)。一般情況下,在較高風(fēng)速段到滿發(fā)風(fēng)速之前,雙饋機(jī)組的功率特性較好。2.10風(fēng)電機(jī)組功率特性的測試要求實(shí)際功率曲線要受到很多外界因素和條件的影響。因此,IEC61400-12-1:2005《Windturbinegeneratorsystems-Part12:Windturbinepowerperformancetesting》對風(fēng)電機(jī)組功率特性的測試條件作了詳盡的規(guī)定和限制。為了避免氣流畸變對測試的影響,在進(jìn)行測試之前,就要對測試場地的氣流畸變情況進(jìn)行評估,以便確定氣象架的安裝位置、測風(fēng)扇區(qū),估算風(fēng)速、測量扇區(qū)、氣流畸變系數(shù)和畸變造成的誤差;尤其要考慮地形的變化、其他風(fēng)電機(jī)組、障礙物的影響。對測試設(shè)備、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)預(yù)處理、篩選、數(shù)據(jù)回歸等也作了規(guī)定;同時,還必須考慮測試場地的空氣密度、降雨、風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)等根據(jù)長時間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),得到如圖13散點(diǎn)分布圖,形成了風(fēng)電機(jī)組的功率曲線。如果以上任何一個環(huán)節(jié)有所不同或出現(xiàn)偏差,都會使形成的實(shí)際功率曲線不同。因此,不同的測評和檢驗(yàn)公司,其實(shí)際功率曲線驗(yàn)證的結(jié)果可能存在一定的差別。由于風(fēng)況隨時都在變化,同一測評公司在不同的時間對同一地點(diǎn)的同一臺標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)進(jìn)行測試,其測試結(jié)果也不會完全相同。2.11風(fēng)電機(jī)組功率特性實(shí)際運(yùn)行功率曲線數(shù)據(jù)是一個統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),形成風(fēng)電機(jī)組功率曲線需要以大量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),如圖13所示。在通常情況下,形成的實(shí)際運(yùn)行功率曲線的時間越長,越能反映風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際性能,得到的功率曲線越準(zhǔn)確。GB/T1845.2-2003和GB/T18709-2002規(guī)定,在進(jìn)行風(fēng)電場風(fēng)能資源評估以及進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率特性試驗(yàn)時,風(fēng)速儀和其他測風(fēng)設(shè)備需要滿足一定的技術(shù)要求。GB/T18709-2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法》規(guī)定,風(fēng)電場風(fēng)能資源測量時,測量數(shù)據(jù)的采集應(yīng)滿足連續(xù)性和完整性的要求?，F(xiàn)場測量應(yīng)連續(xù)進(jìn)行,不應(yīng)少于1年;現(xiàn)場采集的測量數(shù)據(jù)完整率應(yīng)達(dá)到98%以上。采集數(shù)據(jù)的時間間隔不宜超過1個月3風(fēng)電機(jī)組功率曲線的多因素分析由于風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線受到風(fēng)電場的風(fēng)況和形成條件的影響,風(fēng)電機(jī)組在不同工況和條件下形成的功率曲線必然不同。一臺性能優(yōu)異的風(fēng)電機(jī)組,在風(fēng)況較差的條件下,形成的功率曲線完全有可能達(dá)不