风电机组功率曲线与发电量浅析

文 | 王明军

风电机组功率曲线与发电量浅析

文 | 王明军

在设计评估或设计认证时，国内大部分整机制造商并未对机组功率曲线进行现场测试。理论功率曲线大都通过设计仿真获得，但由于现场风况、传动链阻尼、系统测风等因素的影响，机组的实际功率曲线与理论功率曲线会出现差异。在同一风电场，同种机型的不同机组也会因风况差别造成机组的运行功率曲线和发电量的不同。

宁夏某风电场有国产机组和进口机组两种机型，它们之间的平均年发电量存在差别，进口机组的单机平均年发电量高出约10%，风电场业主则认为：功率曲线问题是造成国产机组发电量低的根本原因。因此，国产机组逾期（5年）不能出保，在国产机组生产厂家给业主赔付了高额的发电量损失后，机组才最终得以出保。本文对该风电场两种机型部分机组的运行功率曲线和发电量数据进行比较，结合塔筒高度、机组布局等因素进行分析，找出国产机组发电量低的根本原因。

风电机组功率曲线

一、功率曲线的定义

功率曲线是风电机组的重要运行性能指标。所谓功率曲线就是以风速vi为横坐标、以有功功率Pi为纵坐标的一系列规格化数据描述vi和Pi关系的特性曲线。

在标准空气密度（ρ＝1.225kg/m3）条件下，风电机组的输出功率与风速的关系曲线称为该风电机组的标准功率曲线。通常情况下，风电机组出厂时，制造商会向用户提供标准功率曲线。然而，由于风电场机组的实际运行条件与设计条件不同，势必导致机组的实际功率曲线与标准功率曲线不一致。

针对风电机组功率特性的测试与评估，我国制定了国家标准GB/T 18451.2-2012《风力发电机组功率特性试验》。由于风速、风向变化的不确定性，特别是山区地形的复杂性，使得测试风电机组功率曲线，仍然存在较多的困难。目前相关的测试方法和标准仍在不断完善中。

二、实际运行功率曲线的形成及影响因素

风电机组的实际运行功率曲线不仅反映机组性能，还反映了机组的实际工作状态（如风速、风向传感器是否存在事故，主控参数设置，叶片状态等）和实际工作条件（如是否限电、湍流强度大小等），会随风况条件的不同而产生差异，从而决定了风电场机组实际运行形成功率曲线的多样性与复杂性。因此，在通过风电场的机组运行功率曲线考察机组性能时，有着严格的限制条件及规定,存在诸多困难。

从实践来讲，在通常情况下，反映机组性能的实际运行功率曲线，其形成需要一个较为漫长的时间过程。因客观条件的限制，机组在较短的时间内，不能形成较为完整、准确反映其性能的功率曲线。GB/T18709-2002《风电场风能资源测量方法》规定，风电场风能资源测量时，测量数据的采集应满足连续性和完整性的要求。现场测量应连续进行，不应少于1年；现场采集的测量数据完整率应达到98%以上。采集数据的时间间隔不宜超过1个月。

根据国家标准GB/T18709-2002《风电场风能资源测量方法》和GB/T18710-2002《风电场风能资源评估方法》制定的《风电场风能资源测量和评估技术规定》(发改能源[2003]1403号)中要求：“现场测量收集数据应至少连续进行一年，并保证采集的有效数据完整率达到90%以上”。同理，在考察风电场机组的实际运行功率曲线时，不仅要考察每台机位的湍流强度等风况条件和地形条件，还需考虑数据的有效性和完整率。不反映机组性能的数据，应予以删除。在风电场限电或其他条件下限功率生成的功率曲线数据，不能作为考核机组性能的有效数据、计入机组功率曲线的统计之中。因此，目前因长时间限电，我国不少风电场难以达到测试机组功率曲线的连续性和完整率要求。

由于风电机组的实际运行功率曲线受到风电场风况和形成条件的影响，风电机组在不同工况和条件下形成的功率曲线是不同的。一台性能优异的风电机组，在风况较差的条件下，形成的功率曲线完全可能达不到理论值，发电量低于其他同类型风电机组。

根据负载的性质，负载的大小以及风电机组安装现场的风速、风向、地形等情况的不同，风电机组的功率曲线是一组而不是一条。也就是说，同一台机组会因条件（如时间、季节、位置、限负荷等）的改变形成一系列不同的功率曲线。同时，机组的传感器精度、机组控制器种类与质量、控制参数、风速传递函数以及功率曲线生成软件的差异等也会造成机组实际运行功率曲线的不同。

因此，在机组传感器精度、机组控制器（主控）硬件、主控控制参数、风速传递函数和功率曲线形成软件相同的情况下，利用较长时间形成较为完整的功率曲线，可以对比不同机组的实际运行效率。在综合考虑功率曲线数诸多影响因素的前提下，可以把风电场不同机组形成的功率曲线进行比较，并能大致考察出机组的实际性能。

三、机组运行功率曲线与发电量

功率曲线是风电机组发电效率的一种表述，从这个意义上讲，功率曲线优劣会直接影响到机组的发电量。然而，机组发电量除受到机组功率曲线影响外，还受到湍流强度、机组之间的尾流、塔筒高度、机组布局、当地的年平均风速、当地的可利用风速和机组利用率等诸多因素的影响。标准功率曲线优劣仅是机组发电量高低的必要条件，而与风电场机组实际发电量的高低没有必然联系。

图1 整个风电场33台机组分布图及变电所位置

单机年发电量为年平均等级风速（有效风速范围内）的风速小时数乘以此风速等级的风电机组输出功率的总和。其计算公式为：

式中，G为发电量，kWh；Ni为相应风速等级出现的全年的累计小时数，h；Wi为风电机组此等风速下对应的输出功率， kW。

因此，可以根据机组功率曲线和该机位风频计算出风电机组的年发电量。但是，计算所采用的风电机组功率表或功率曲线图必须是厂家提供的，并由权威机构测定的风电机组功率表或功率曲线图。另一方面，也可以通过机组的年发电量和该机位的风频计算出风电场机组的实际运行功率曲线。

实例分析

宁夏某风电场共有风轮直径均为77米的1.5MW风电机组33台，其中国产机组11台，进口机组22台，2008年投运。风电场建造在戈壁上，少有植被，地势较为平坦，如图1所示，机组分布在110kV升压站的一侧，整个风电场呈不规则的块状分布。风电场周围没有高大建筑物，没有森林树木，也没有较明显土丘之类的障碍物或其他风电场。

该风电场四季温差大、干旱少雨，风向季节性明显，秋冬以北风和偏西风为主，春夏以东南风和偏南风为主，但没有明显的主风方向。风速较低时，风向变化频繁；风速较高时，风向较为稳定。风速也有较明显的季节性，一般春季最大，冬夏季次之，秋季最小。

下面对国产、进口两种机型中，年、月利用率在98%以上的国产2#、进口21#和进口28#三台机组的实际运行功率曲线与发电量进行比较和分析。

一、两种机型机组的功率曲线比较

两种机型均采用ALSTOM变频器和国外厂家生产的直流变桨系统；机组的风向标、风速仪、机组控制器（WP3100）和后台软件（Gateway）均来自丹麦Mita控制器厂家。

如表1所示，比较国产2#与进口21#两台机组的功率曲线运行数据发现，在风速低于13米/秒时，国产2#机组形成的功率曲线优于进口21#机组。然而，从两台机组的发电量统计来看，不少时段国产2#机组的年发电量却比进口21#机组低。由此看来，机组年发电量的高低，不完全由功率曲线决定。

在同一风电场的风电机组，因机位不同，风况存在差异。通过实际运行功率曲线比较机组性能，存在一定的不足和局限性。但仅从机组运行生成的功率曲线来看，国产机组的运行效率并不比进口机组差，且普遍优于进口机组。

表1 国产2#与进口21#机组的运行功率曲线比较

表2 国产2#机组与进口28#机组30日的发电量比较

二、两种机型机组的平均年发电量的分析与比较

此风电场22台进口机组平均年发电量比11台国产机组的平均年发电量高出约10%。但是，并非所有国产机组的发电量均低于进口机组，国产2#机组年发电量就高于进口28#机组。

如图1所示，2#机组布置在风电场的西北角上，在多个方向上可以降低或不受其他机组尾流的影响；28#则处于风电场众多机组中间偏南的位置，在多个风向上，均或多或少地要受到其他机组尾流的影响。

如 表 2所 示，21、22、24、25、26、27、28、31、3、4日， 这 10天，国产2#机组的日发电量比进口28#机组低，而其余20天国产2#机组的日发电量均高于进口28#机组。国产2#机组30日的总发电量为187796 kWh，进口28#机组为164213 kWh，国产2#机组高于进口28#机组。机组的日发电量有时差别巨大， 27、3、4日进口28#机组的日发电量远超过国产2#机组，均是国产2#机组的2.5倍以上；而30、2、7、8、9、15、17日国产2#机组高出进口28#机组很多，其中30日和17日的国产2#机组的发电量是进口28#机组的2倍左右。

如图2、图3所示，比较国产2#机组与进口28#机组在12个月的年发电量可知，2、5、6、7、9这几个月，国产2#机组发电量低于进口机组，其余月份均高于进口28#机组。8月的发电量差别最为明显，国产2#机组的发电量为164429 kWh，进口28#机组仅为87545 kWh，约为国产2#机组的一半。2#机组的年发电量为2755920 kWh，28#机组为2674012 kWh，国产2#机组略高于进口28#机组。

下面就造成两种机型的机组平均年发电量差别的原因进行分析和探讨。

（一）塔筒高度

塔筒高度是造成国产机组发电量低的关键因素，进口机组的轮毂中心高度为85米，而国产机组的轮毂中心高度为70米。由于塔筒高度不同，造成了两种机型机组的发电量差别。在近地层中，风速随高度有显著变化。但由于地面粗糙度不同，风速随高度的变化也就不同。大气低层常用指数公式表示风速和高度与地面粗糙度的变化关系：

式中，Vh为在高度Xh处的风速；V0为在高度X0处的风速；α为指数，它与地面粗糙度有关。我国常用的α值分为三类：0.12、0.16、0.20。在三种地面粗糙度下，两种塔筒高度在轮毂中心高度处所对应的风速Vh/V0之比分别为102.36%、103.16%、103.96%，又因风能与风速的三次方成正比，则在同样风轮直径、同样机组效率情况下，进口机组的单机平均年发电量应比国产机组的单机平均年发电量分别高 出7.24%、9.77%、12.36%。 即 因塔筒高度不同，进口机组的单机平均年发电量高出国产机组应在7.24%到12.36%之间。

从以上分析可知，两种机型塔筒高度的不同是造成单机平均年发电量差别的主要原因。

（二）机位布局及不同塔筒高度机组混合安装

图2 国产2#机组2009年12月至2010年11月的月发电量统计

图3 进口28#机组2009年12月至2010年11月的月发电量统计

如果风电机组串列布置是指下游风电机组风轮旋转轴线与上游风电机组风轮旋转轴线重合的情况。机组之间的距离为X，风轮直径为D，当X/D＝4时，计算得到的最大风轮功率系数为没有尾流影响的45%左右；当X/D＝6时，为65%左右；当X/D＝8时，为75%左右；而当 X/D＝16时，为97%左右，尾流影响基本可以忽略。

该风电场地势较平缓，不同机位的海拔高度基本一致，机组风轮直径均为77米，机位之间距离大都不足500米。即X与D之比大都小于6.5，且不同塔筒高度混合安装，这样，将对机组的发电量产生重要影响。由表2和图2、图3中的机组运行数据可知，随着风电场风向的变化，上游机组尾流的影响也不断变化，从而造成了国产2#与进口28#两机组之间的日发电量和月发电量差别的不断变化。

究其原因：首先，上游机组吸收能量，造成下游国产机组发电量低；其次，尾流效应造成能量损失；第三，当上游机组为高塔筒的进口机组，下游为低塔筒的国产机组时，与下游为相同塔筒高度的进口机组相比，受上游机组尾流影响增加，下游国产机组的发电量损失更多；相反，当国产机组处于上游，进口机组处于下游时，因上游机组塔筒高度较低，则尾流对下游高塔筒机组的影响减弱，进口机组发电量损失相对较小。

在该风电场，有的国产机组安装在塔筒较高的多台进口机组中间，势必造成国产机组的发电量损失更大；部分国产机组虽安装在风电场的最外侧，但因该风电场没有明显的主风方向，当风向变化、国产机组处于进口机组下游时，会加剧国产机组的发电量损失。

正是上述原因造成了2#机组与28#机组日发电量和年发电量的差距。进口28#机组安装在众多机组当中，在各个方向上都或多或少地受到上游机组尾流的影响，有20天的日发电量均低于国产2#机组；当2#机组不受或很少受到上游机组尾流影响，而28#机组受上游机组的尾流影响严重时， 如30、2、7、8、9、15、17 日，2# 机组的日发电量高出28#机组很多，其中30日和17日的日发电量差距最大，为28#机组的2倍左右；然而，当28#机组受尾流影响较小，2#机组受上游机组尾流影响严重时，在27、3、4日28#机组的日发电量则是2#机组的2.5倍以上。28#机组机位受到上游机组尾流的严重影响，致使28#机组发电量大大降低，与此同时，2#机组则因少受或不受上游机组尾流的影响，由此带来的发电量损失较小，造成了8月份28#机组的月发电量仅为2#机组的一半左右。从全年来看，由于上游机组尾流作用，低塔筒的2#机组年发电量高于高塔筒的28#机组。比较2#与28#机组发电量还可以看出，随着风向的变化，每天、每月上游机组尾流对两台机组的影响会随之变化，两台机组之间的相对发电量也发生变化。风电场的风向每年都有差别，风电场各机组之间的相对年发电量高低也会因此而发生变化。

因此，该风电场把不同塔筒高度机组混合安装后，因上游机组的尾流影响，使得国产机组的发电量损失加剧，而进口机组发电量损失相对较小。进一步加剧了两种机型之间的年发电量差别。

（三）国产机组的利用率略低于进口机组

该风电场的国产机组，其机架、叶片、齿轮箱和发电机等部件均是国内生产，单台机组的采购成本比进口机组大约低400万元。由于机组国产化、国产整机厂家的维修和风电场管理水平等因素的影响，国产机组的利用率略为偏低。

考虑了塔筒高度、机组布局以及机组利用率等对机组年发电量的影响后，进口机组的单机平均年发电量应比国产机组高10%左右，这与该风电场多年的实际发电量统计完全吻合，因此，国产机组与进口机组的实际运行效率基本一致，国产机组不存在功率曲线问题。

结论

两种机型的塔筒高度不同、不同塔筒高度机组混合安装以及机组利用率等造成了进口机组的单机平均年发电量高出国产机组约10%；而非机组功率曲线问题引起。

由本文分析可知，风电机组性能及功率曲线优劣，与机组发电量高低没有必然的联系。风电场的机组运行功率曲线受气候、地形等各种外界影响因素较多，难以简单地通过现场机组运行功率曲线对机组性能实施较为准确地评估。然而，机组发电量除受机组功率曲线的影响外，还受到其他各种外界因素的影响，尤其是受上游机组的尾流影响不容低估。因此，我们在风电机组设计和风电场微观选址时，应注重塔筒高度的选择和机组布置的合理性等，以提高发电量、延长机组的部件寿命，避免不必要的经济损失。

（作者单位：东方电气风电有限公司）