风机功率曲线和功率保证值计算研究
摘要：本文介绍了一种利用风机实际运行数据，依据“IEC61400-12：功率特性测试”，计算风机功率曲线和功率保证值的方法。

本文采用了我国内蒙地区的实际风速、风况以及风机运行数据，采用bin方法对这些数据进行处理，整理出一套适合我国风电运营单位应用的风机功率曲线和功率保证值的考核方法。

关键词：风力发电机组特性；功率曲线；功率保证值；风场考核
0 引言
以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式——“低碳经济”，已经成为世界经济未来发展的必然选择。

发展低碳经济越来越成为世界各国的共识，倡导低碳消费也越来越成为人类社会新的生活方式。

新能源产业，作为新生的国民经济支柱产业。

尤其是在风力发电行业，近年来，我国政府颁布了一系列的优惠政策，推动风电企业发展。

目前，随着风机制造技术的进步，风力发电机的质量有了长足进步，大部分风机厂家的风机都经过国内外权威机构的认证，其样机的功率曲线和性能都经过授权机构的测量。

但是，因为进行样机测试功率曲线的气象条件、地形条件、风资源状况与各个风场风机实际运行的条件有所的不同，所以风场风机实际运行的发电量比预期的发电量低。

利用风机运行数据，准确计算各风机的功率曲线和功率保证值，建立的考核制度可以用来衡量风机性能参数是否满足风场当地外的
风资源特点，为风机参数调整提供有力依据，从而最终提高风场发电量。

通过对同一风机的功率曲线和功率保证值不同时间的分析，可以衡量风机重要部件的老化程度和风场运行维护的水平。

从而为风机的研发提供建议。

另外，通过对不同机位风机和风况的长期分析，可以为风电场前期，风机微观选址和风机安装提供建议。

1 风力发电机组功率曲线计算
1.1测量前的准备
在进行功率曲线测量前，应保证风机主要部件工作正常，风机叶片表面清洁，无积雪、积冰现象。

1.2 数据来源与采集方法
风速：以风电场中央监控系统记录的每台风机处的风速为准。

风电场的实际平均空气密度应以风电场内测风塔的气压和温度的实测值计算得出。

如果风电场内没有气压、温度测量装置，则近似认为该风场当前实际空气密度等于该风电场附近气象站所提供的月平均空气密度值。

风机实测功率以风场中央监控系统记录的每台风电机组的功率为准。

在进行数据采集时，应保证各个数据的采样时间不大于30秒，且采样时间能够把10分钟整除。

根据IEC标准，在数据采集完成时，现场采集到的风速数据应至少覆盖从（切入风速-1）m/s到1.5 （85%的额定功率时的风速）m/s 的风速区间。

例如，某型号风机(切入风速为3 m/s, 额定功率为1500 kW), 85%的额定功率（1275kW）对应风速为10m/s，则绘制出的功率曲线应该包含从2m/s到15m/s（1.5x10 m/s）的范围。

在数据采集结束时应保证：
* 对于每个规定的统计区间（“统计区间”的界定见后文）应至少保证30分钟的统计数据。

* 保证风机在规定的风速范围内，正常运转180小时以上。

1.3采集数据的处理
根据公式（1），计算风电场的各参数的10分钟平均值，采用十分钟平均值进行计算，一方面可以降低单次测量数据的随机系统误差，另一方面采用十分钟平均值可以在提高计算精度的同时，提高计算效率：
其中：
:10分钟数据采集个数；
：某参数数据采集值；
：某参数10分钟平均值。

如果现场有测量温度、压力的仪器，应根据公式（2），计算风电场实际空气密度10分钟平均值：
其中：
：风场空气密度10分钟平均值；
：风场实测绝对温度10分钟平均值；
R：气体常数287.05 J/(kgK)。

如果现场没有相应的测量设备，则现场的空气密度可取可研中的空气密度。

如果和厂家的功率曲线规定的空气密度相比，相差小于0.05kg/m3，则对应的功率和风速无需修正。

如果和厂家的功率曲线规定的空气密度相比，相差大于0.05kg/m3，则对应的功率和风速按如下修正：
对于定桨距风机：应对测得的风机功率按公式（3）进行修正：
：修正后的风机输出功率
：实测风机输出功率的10分钟平均值
：厂家的功率曲线规定的空气密度
：风场空气密度10分钟平均值
对于变桨距风机：应对测得的风速按公式（4）进行修正：
：修正后的风机输出风速
：实测风机输出风速的10分钟平均值
：厂家的功率曲线规定的空气密度
：风场空气密度10分钟平均值
1.4功率曲线保证计算
在进行功率曲线保证计算时，应首先定义统计区间。

根据IEC相关标准的规定，把测量数据所覆盖风速范围分为长度为0.5 m/s的统计区间，区间的中心为0.5 m/s的整数倍（如下图所示）。

然后按照公式（5）（6）计算各个统计区间的平均风速和平均功率：
其中，：第i个统计区间的平均风速；
：第i个统计区间的平均功率；
：修正后第i个统计区间的第j个风速值；
：修正后第i个统计区间的第j个功率值；
：落入第i统计区间的数据量。

按照划分的统计区间，统计各风速区间的风频值：
其中：
：第i个统计区间的频率
：风速落入第i统计区间的数据量；
：风速数据总量。

按照公式（8）计算，功率保证系数K：
K：单台风机的功率保证系数；
M：统计区间个数；
：第i个统计区间的频率；
：第i个统计区间的平均功率；
：厂家给定的对应统计区间平均风速的功率。

计算得到的功率保证系数可用于合同中规定的保证值进行比较。

1.5 功率曲线计算时所用到的软件
由于功率曲线计算时需要风机一年的运行数据，而且要求数据采集间隔不大于30秒。

因此计算时，应用的数据总量约100万个。

如
果采用一般的办公软件实现如此大量的数据计算（例如Excel，单张表格只有6万行），计算效率较低。

在该方法中，数据处理使用了Wolfram开发的Mathematica计算软件。

该软件使用比较简单，经过短期培训就能迅速掌握。

功率曲线考核功率曲线考核应每半年进行一次，测量单位为单台风机。

风场应选取风场风机10%以上的风机进行考核计算，并重点选取经过技术改造或在额定风速下，发电量较低的风机进行核算。

通过核算分析可以判断风机发电性能是否合格，是否需要对风机进行优化。

2 实际运行机组功率曲线评估
为了验证本方法计算的准确性，对内蒙的某风场进行实验计算。

计算中采用了2009年1月1日至2009年12月31日，风机运行数据，以及2009年1月1日至2009年12月10日的测风数据。

通过计算，虽然该风场风机可靠性较高，但运行功率曲线比保证功率曲线低很多，功率保证值仅为93.7%。

特别是在额定风速下，部分风机仅达不到额定功率的92%。

另外，还有一部分风机，有不失速，或者失速风速右移的情况，这种情况的出现会对发电机和传动链的使用寿命造成极为不利的影响。

根据风机功率曲线的分析结果，风场运行单位要求风机厂家，根据不同风速段风机所表现的性能特点，调整风机参数设置和叶片安装
角，并对部分风机叶片，加装扰流发生器。

下图反映了风机修正前后功率曲线改善的情况。

经过计算，风机整改后，功率曲线值提高到95.8%。

发电量大幅提高。

3 结论
本文的结论如下：1)本文介绍的功率曲线和功率保证值的测量方法能够较好的反映风机运行的实际情况。

2)通过风机风力曲线的分析，可以对不同风速下，风机性能做出评价，对风机主要部件老化的加速情况、风机出力的稳定性分析，提供有力数据。

3)风机运行的工况会对风机的性能产生显著影响，通过风机功率曲线的分析，对风机控制参数和叶片进行调整，可以大幅提高发电量。

4)通过本考核方法的执行，进一步加强风力发电的生产管理，完备的生产指标体系，通过对生产指标的横向对比评价，提高了各风电场核心竞争力，从而推动生产经营活动向低成本、低排放、高效益方向发展，实现企业生产管理的纵向提升。