淺析風(fēng)電機(jī)組功率曲線問(wèn)題及爭(zhēng)議

1、提高風(fēng)電機(jī)組效率、降低度電成本是業(yè)內(nèi)人士的共同愿望，但過(guò)度強(qiáng)調(diào)機(jī)組效率，而忽視機(jī) 組遠(yuǎn)期故障幾率、部件損壞及長(zhǎng)期度電成本，必然會(huì)顧此失彼，得到與初衷相反的效果。因 業(yè)主對(duì)功率曲線的“嚴(yán)格”要求，國(guó)內(nèi)不少本該出保的風(fēng)電場(chǎng)，因功率曲線問(wèn)題的分歧和爭(zhēng)議，遲遲未能出保，該付的款項(xiàng)沒(méi)有得到應(yīng)有的支付。為了出保，廠家不得不在生成功率曲 線的各個(gè)環(huán)節(jié)上作文章。為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝，有的廠家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)功率曲線甚至進(jìn)行 了大膽的修飾，良莠不齊的功率曲線論證公司也應(yīng)運(yùn)而生。因此，不少功率曲線的真實(shí)性及 論證的合理性值得懷疑。風(fēng)能利用技術(shù)與提高機(jī)組效率所謂功率曲線就是以風(fēng)速（Vi）為橫坐標(biāo)，以有功功率Pi為縱坐標(biāo)

2、的一系列規(guī)格化數(shù)據(jù)對(duì)（Vi， Pi）所描述的特性曲線。在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（p=1.225kg/m3 ）的條件下，風(fēng)電機(jī)組的輸出功 率與風(fēng)速的關(guān)系曲線稱風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。風(fēng)能利用系數(shù)是指葉輪吸收的能量與整個(gè)葉輪平面上所流過(guò)風(fēng)能的比值，用Cp表示， 是衡量風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中吸收的能量的百分率。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)能利用系數(shù)為 0.593，風(fēng)能利用系數(shù)大小與葉尖速比和槳葉節(jié)距角有關(guān)系。翼型升力和阻力的比值稱升阻比。只有當(dāng)升阻比和尖速比都趨近于無(wú)窮大時(shí)，風(fēng)能利用 系數(shù)才能趨近于貝茲極限。實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的升阻比和尖速比都不會(huì)趨近于無(wú)窮大。實(shí)際風(fēng)電 機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)不可能超過(guò)相同升阻比和尖速比的理想

3、風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)。采用 理想的葉片結(jié)構(gòu)，當(dāng)升阻比低于100時(shí)，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)不可能超過(guò)0.538。 水平軸風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)葉片幾何外形（包括葉片個(gè)數(shù)、弦長(zhǎng)及扭角分布、截 面翼型形狀等），目的是獲得最佳風(fēng)能利用系數(shù)和最大年發(fā)電量，同時(shí)降低葉片載荷。而這 三個(gè)目的有時(shí)會(huì)發(fā)生矛盾。與理想風(fēng)電機(jī)組不同，除升阻比只能為有限值外，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組還要考慮兩個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：1、考慮有限葉片數(shù)造成的功率損失。有限葉片數(shù)對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)影響的計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜， 這里僅給出部分計(jì)算結(jié)果。對(duì)于理想葉片形狀，在升阻比為100時(shí)，尖速比只有在6-10 的范圍內(nèi)，有限葉片風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)才有可能

4、微微超過(guò)0.500，如果升阻比下調(diào)到 100以內(nèi)的實(shí)用區(qū)，功率損失會(huì)更大。2、理想葉片的形狀十分復(fù)雜，難以加工制造，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的葉片必然采用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。另 外在考慮葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)、變形、離心剛化和氣動(dòng)阻尼作用，以及考慮機(jī)組成本、年輸 出功率等問(wèn)題時(shí)都會(huì)對(duì)葉片形狀提出其他方面的要求，這又會(huì)進(jìn)一步降低風(fēng)能利用系數(shù)。 有限葉片數(shù)造成的功率損失是無(wú)法避免的，葉片的易加工性、成本、強(qiáng)度、振動(dòng)等諸多導(dǎo)致 風(fēng)能利用系數(shù)降低的實(shí)際問(wèn)題也是必須考慮的因素。綜合理論計(jì)算和對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析，實(shí) 際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)難以超過(guò)0.500。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，在實(shí)際Cp值折算時(shí)，常把機(jī)組發(fā)電功率視為葉輪所吸收的風(fēng)能。由

5、于 以下幾方面的原因：機(jī)組轉(zhuǎn)速只能在運(yùn)行風(fēng)速內(nèi)的部分風(fēng)速段較準(zhǔn)確地跟蹤葉尖最佳速比; 變槳、偏航、部件冷卻等機(jī)組有自耗電；因風(fēng)能資源的復(fù)雜多變，實(shí)際機(jī)組不可能準(zhǔn)確對(duì)風(fēng);當(dāng)葉輪吸收能量后，還必須通過(guò)機(jī)組諸多部件（如：齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器等）進(jìn)行能量 轉(zhuǎn)化，當(dāng)經(jīng)過(guò)這些部件時(shí)，必然有能量損失。因此，在不同風(fēng)速下，由實(shí)際發(fā)電功率計(jì)算出 來(lái)的Cp值會(huì)更低，有不少風(fēng)速段的Cp值遠(yuǎn)低于0.5。國(guó)外有個(gè)別廠家為了提高實(shí)際機(jī)組效率，在葉片輪轂的流線形狀、部件性能等多環(huán)節(jié)進(jìn) 行深入的研究和大的投入，制造出了最高Cp值超過(guò)0.5的“神機(jī)”，但是，因其設(shè)計(jì)和制 造難度增大，勢(shì)必使機(jī)組的生產(chǎn)成本增加，投資回報(bào)時(shí)間延長(zhǎng)

6、。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，用戶不僅在機(jī)組招標(biāo)時(shí)選擇功率曲線優(yōu)秀的機(jī)型，而且，在 機(jī)組投運(yùn)后，不少業(yè)主還希望通過(guò)調(diào)整機(jī)組控制策略，提高機(jī)組效率和優(yōu)化功率曲線。然而， 如不顧當(dāng)前的技術(shù)水平，忽視機(jī)組遠(yuǎn)期維護(hù)成本和故障幾率，片面地強(qiáng)調(diào)機(jī)組效率，勢(shì)必使 機(jī)組長(zhǎng)期度電成本增加，最終，必然是得不償失。就風(fēng)電機(jī)組的控制算法而言，目前尚未有集所有優(yōu)點(diǎn)于一體的控制算法。設(shè)計(jì)高性能的 風(fēng)電機(jī)組控制策略需針對(duì)具體風(fēng)能環(huán)境，兼顧控制成本和控制目的，最大限度地量化控制指 標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化功率曲線時(shí)，應(yīng)兼顧部件及機(jī)組壽命、故障幾率以及機(jī)組 自耗電等，例如：把低風(fēng)速段不變槳且輪轂處于休眠狀態(tài)的控制方式修改為小

7、風(fēng)調(diào)槳的控制 策略，從原理上講，這的確可使低風(fēng)速段的葉輪Cp值增加，必然使輪轂部件的工作時(shí)間大 大增加，機(jī)組自耗電增加，部件壽命縮短，故障幾率增加。所以，這種修改未必可取。因此，在選擇機(jī)型時(shí)，應(yīng)考慮機(jī)組的綜合性能。例如：機(jī)組使用方便，遠(yuǎn)期維護(hù)和維修 成本低，絕大部分故障可通過(guò)遠(yuǎn)程進(jìn)行檢查和診斷等；在優(yōu)化功率曲線提高機(jī)組效率時(shí)，應(yīng) 綜合考慮各種因素，避免對(duì)機(jī)組部件壽命和長(zhǎng)期維護(hù)成本造成不良影響，獲得更優(yōu)的度電成 本。用風(fēng)能系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)（理論）功能曲線的真實(shí)性由上面分析可知，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)一般不超過(guò)0.5，因此，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)（理論） 功率曲線換算出的風(fēng)能利用系數(shù)，可以較為簡(jiǎn)便地核實(shí)標(biāo)準(zhǔn)（理論）

8、功率曲線的真實(shí)性。表1、表2分別示出了某國(guó)產(chǎn)和國(guó)外品牌1.5MW和2.0MW機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線數(shù)據(jù)以 及根據(jù)發(fā)電功率折算出的風(fēng)能利用系數(shù)。國(guó)產(chǎn)機(jī)組在1.8m/s和2m/s的風(fēng)能利用系數(shù)均超過(guò) 0.8, 4m/s-6m/s風(fēng)能利用系數(shù)超過(guò)0.6。如是理論功率曲線，則已超過(guò)了貝茲極限，其真 實(shí)性值得懷疑；如為實(shí)測(cè)，應(yīng)是測(cè)量偏差或其他原因造成。而國(guó)外機(jī)組在不同風(fēng)速下由功率 曲線換算出的風(fēng)能利用系數(shù)，則較符合風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律與控制特性。9a,I.表1、1.5MW機(jī)組功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算的風(fēng)能利用系數(shù)宣mr”風(fēng)話機(jī)成Mm 心3 I史,富M：，22出伊Alfe-i m 1ri,=TH-,11

9、 FjMWftfflBPrnaKKS I .SSnr* g）某”1桐宜電功申t州t某料1甫用札岫I Wt I VUMUUUBffXlil*由林域UtHJV KI*表2、2.0MW機(jī)組功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算的風(fēng)能利用系數(shù) 注：表1、表2中，計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)時(shí)，機(jī)組的發(fā)電功率視為了葉輪所吸收的電功率，因 此，得到的Cp值比葉輪風(fēng)能利用系數(shù)值低。驗(yàn)證實(shí)測(cè)功率曲線、標(biāo)準(zhǔn)（理論）功率曲線和機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行形成功率曲線機(jī)組驗(yàn)證實(shí)測(cè)功率曲線、標(biāo)準(zhǔn)（理論）功率曲線和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行形成的功率曲線，雖然都是 反映風(fēng)速與機(jī)組發(fā)電功率的關(guān)系曲線，由于三者的形成條件和用途的不同，三者又有矛盾的 一面。驗(yàn)證機(jī)組性能的實(shí)測(cè)

10、功率曲線與理論功率曲線主要是用于反映機(jī)組性能，其生成條件是 盡力消除，少考慮或不考慮功率曲線的各種影響因素。驗(yàn)證實(shí)測(cè)功率曲線，在國(guó)際上普遍采用IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)，其采樣周期為10min。在實(shí) 測(cè)時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件及測(cè)試設(shè)備有著嚴(yán)格的要求，而現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行機(jī)組一般難以達(dá)到。在進(jìn)行 功率特性測(cè)試時(shí)，還應(yīng)收集足夠數(shù)量且覆蓋一定風(fēng)速范圍和大氣條件變化的數(shù)據(jù)。其費(fèi)用高， 時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)因湍流強(qiáng)度及其他各種影響因素造成偏差。實(shí)測(cè)功率曲線的值不是唯一的，因?yàn)椋?它與機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行功率曲線一樣都是通過(guò)散點(diǎn)分布圖繪制而成。機(jī)組的實(shí)測(cè)功率曲線很離 散，且范圍較寬，還會(huì)因測(cè)量者、測(cè)試公司的不同而不同。因此，利用實(shí)測(cè)的

11、機(jī)組發(fā)電功率 與風(fēng)速計(jì)算的風(fēng)能利用系數(shù)，不僅可能超過(guò)0.5,而且，超過(guò)貝茲極限也是可能的。正因如此，一般不采用實(shí)測(cè)功率曲線值作為標(biāo)書(shū)上的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。在設(shè)計(jì)評(píng)估或設(shè)計(jì)認(rèn)證時(shí)，國(guó) 內(nèi)大部分整機(jī)制造商所提供的擔(dān)保功率曲線是通過(guò)仿真計(jì)算出來(lái)的理論功率曲線。在風(fēng)電場(chǎng)，機(jī)組運(yùn)行生成的功率曲線主要用于機(jī)組維修和功率調(diào)整，要能反映出機(jī)組的 自身性能、故障狀況、環(huán)境和氣候條件等。現(xiàn)場(chǎng)需要通過(guò)考察機(jī)組運(yùn)行形成的功率曲線來(lái)判 斷機(jī)組的葉片、風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)、功率控制參數(shù)等是否存在問(wèn)題。例如，對(duì)于剛調(diào)試完的風(fēng) 電機(jī)組，需要通過(guò)對(duì)每臺(tái)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行形成功率曲線的考察來(lái)進(jìn)行功率調(diào)整，以在短時(shí)間內(nèi) （經(jīng)歷一兩次大風(fēng)）就能把整

12、個(gè)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的實(shí)際發(fā)電功率準(zhǔn)確調(diào)整到“額定功率”，機(jī)組 既不能報(bào)“功率過(guò)高”停機(jī)，也不能有功率過(guò)低的情況發(fā)生。在風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組調(diào)試的初期，風(fēng) 電場(chǎng)通訊還沒(méi)有建立，為了短時(shí)間內(nèi)把機(jī)組調(diào)試到最佳狀態(tài)，這不僅需要形成較為完整的功 率曲線，而且，功率曲線數(shù)據(jù)還應(yīng)生成、儲(chǔ)存在控制器中，以便通過(guò)專門的調(diào)試軟件讀取數(shù) 據(jù)、生成功率曲線。因此，采樣周期不能太長(zhǎng)，一般應(yīng)設(shè)為30s或1s。對(duì)機(jī)組調(diào)試和檢查 缺陷而言，如把采樣周期設(shè)置為10min，則很難具有實(shí)用價(jià)值。在這方面，某些國(guó)際知名廠 家的設(shè)計(jì)理念和方法值得借鑒，如Mita控制器WP3100O在生成功率曲線數(shù)據(jù)時(shí)，不少國(guó)產(chǎn)控制器的程序設(shè)計(jì)，考慮最多的是機(jī)組出保，

13、一般采 用10min采樣周期，對(duì)調(diào)試和判斷機(jī)組缺陷少有考慮，或沒(méi)有考慮。在控制器編程時(shí)，嚴(yán) 格遵循IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)，而現(xiàn)場(chǎng)條件及機(jī)組傳感器等均不符合IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)要求，因 此，生成的功率曲線難以良好地反映機(jī)組性能。加之，近年來(lái)，不少風(fēng)電場(chǎng)限電問(wèn)題嚴(yán)重， 把采樣周期設(shè)定為10min，在通常情況下，在一年，甚至幾年都難以形成正常、完整的功率 曲線，這給現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)組調(diào)試和維修帶來(lái)了極大的不便。機(jī)組在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行生成的功率曲線受到外界多種因素的影響，利用它來(lái)判斷機(jī)組性能應(yīng)有 諸多的前提和限制條件。也正因?yàn)槿绱?，為了較為準(zhǔn)確地考查和驗(yàn)證機(jī)組的功率特性， IEC61400-12-1和IEC

14、61400-12-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此作了詳盡地規(guī)定。因現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行機(jī)組達(dá)不到這些規(guī)定 和條件，生成的功率曲線與合同（標(biāo)準(zhǔn)）功率曲線不一致，本屬于正?，F(xiàn)象。或者說(shuō)，功率 曲線不與合同要求完全一致符合現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行的基本規(guī)律。然而由于各種原因，不少業(yè)主對(duì)功率曲線有著“嚴(yán)格”的要求。為了達(dá)標(biāo)，廠家只有采 取多種修正方式。如果一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)（如：33臺(tái)機(jī)組）同一機(jī)型的每一臺(tái)機(jī)組，不需要嚴(yán)格 的限制條件就能在每個(gè)時(shí)段、每個(gè)風(fēng)速段上生成的功率曲線都符合合同約定，在合同要求之 上，那么，其功率曲線可能是采取多種措施或手段進(jìn)行了修正。而這種“修正”往往既不利 于良好地反映機(jī)組性能，又不利于機(jī)組維修和調(diào)整。有的甚至因?qū)β是€的

15、過(guò)度調(diào)整而危 及部件壽命，增加故障幾率等。由某國(guó)外機(jī)組的功率曲線數(shù)據(jù)可知（見(jiàn)表1、表2），提高 機(jī)組的額定功率可以降低其滿負(fù)荷風(fēng)速。如為了降低功率曲線上的滿負(fù)荷風(fēng)速，減小湍流強(qiáng) 度對(duì)功率曲線的不利影響，不顧及設(shè)備安全，過(guò)度地調(diào)高機(jī)組額定功率，勢(shì)必增加變頻器、 發(fā)電機(jī)等部件的故障幾率。正如其他物件的度量一樣。在度量時(shí)，首先應(yīng)核實(shí)度量工具是否合格；其次還需排除各 種影響因素，而不是簡(jiǎn)單地考察測(cè)量數(shù)值是否滿足要求。因此，在考察風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行 功率曲線時(shí)，首先需保證功率曲線的生成程序、生成方式，相關(guān)傳感器及參數(shù)設(shè)置的正確， 同時(shí)，還需排除各種內(nèi)部和外界的干擾因素。革雷葛料fx 八 ffuaajon Tecft HYPERLINK 要讓機(jī)組運(yùn)行得到的功率曲線作為判斷機(jī)組性能的重要參考依據(jù)，在考察期內(nèi)應(yīng)注意以 下幾方面的問(wèn)題：機(jī)組狀態(tài)及運(yùn)行條件正常（如：沒(méi)有限功率，風(fēng)速儀的傳遞函數(shù)準(zhǔn)確、可 靠，測(cè)量時(shí)間及其連續(xù)性符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組控制器、功率檢測(cè)元件、風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀、葉 片零位和控制參數(shù)等正常）；功率曲線的采樣周期、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)篩選、生成方式等科學(xué)、 合理，并與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的運(yùn)行條件相適應(yīng)，而不是一味地、教條地執(zhí)行IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)；采 取多種有效措施排除風(fēng)況、地形等因素