基金项目：国家自然科学基金（50677021）；教育部重点项目 基金（105049）。
1 风力发电机功率曲线
1.1 风能与风机功率关系
风能是指风所具有的动能。风力发电机组通过
风轮吸收风能并转化成风轮的旋转机械能，带动发电
机发电，从而实现能量的转换[4-5]。当风速为v的风流经
叶轮时，在单位时间作用到叶轮上的理论风能为：
经过Bin方法处理可以得到机组的实际运行功率曲
线。IEC 61400-12标准规定的Bin方法把风速范围按
照0.5 m/s间隔分成若干区间（Bin），每个Bin的中心
值为0.5 m/s的整数倍。利用下式分别计算出每个Bin
的平均风速和功率值：
Ni
Ni
Σ Σ Vi=
1 Ni
Vn,i,j,
j=1
Pi=
1 Ni
Pmax=
8 27
ρSv3
（2）
由此可以得到风电机组的理论最大效率：
Cp=
Pmax E
=
2Pmax ρSv3
=
16 27
≈0.593
（3）
Cp也称为理论风能利用系数。它说明，理想风轮 只能从自然风中吸收一部分能量，其他未吸收部分
可解释为留在尾流中的旋转动能。
对于实际风电机组，由于风轮叶片结构不满足
理想风轮条件，并且传动系统和发电机等能量转换
2台机组的实际平均风能利用曲线及标准差如 图3所示，图中同样给出根据机组的设计功率曲线 计算得到的理论风能利用系数曲线和实际风能利 用曲线每个Bin段的标准差。可以看出，图3(a)所示机 组1的风能利用曲线在低于额定风速段内很接近理 论曲线。图3(b)机组2的风能利用曲线在低于额定风 速区间内明显比理论曲线低一些，说明图3(a)机组1 在低风速段内的风能利用系数比图3(b)机组2更高， 验证了上面的结论。
2）风速在切入风速与额定风速之间。当风速超
过切入风速时，机组开始并网发电。在此风速段，由
于风功率低于机组额定功率，机组运行控制以最大
风能捕获为目标，叶片桨距角打开在最大位置不
变，通过发电机转矩控制叶轮转速，保持最佳叶尖
速比，从而获得最佳风能利用系数，使功率曲线尽
量接近贝兹极限能量曲线。风电机组性能优劣主要
给出理论风能曲线和理想风轮吸收的风能曲线。
图1 风能、贝兹极限能量与实际功率曲线
风电机组功率曲线分成几个风速段，各风速段 的运行方式和特点有所区别。
1）风速低于切入风速时，由于风能太低，不足 以推动机组风轮旋转发电，风轮处于静止或空转状 态。通常在此风速范围，对风速进行监测，一旦满足 切入风速条件，控制启动机组。
12标准“风电机组系统—第12部分：风电机组功率特
性测试”，目的是提供一种统一的风力发电机组功率
特性测量方法，以保证测量分析的可靠性和准确性。
参照该标准我国也制定了相应的国家标准[3]。
根据IEC 61400-12标准提供的方法，也可以用
风电机组实测数据获得机组实际功率曲线。首先利
用功率和风速瞬时测量数据做出功率曲线散点图，
风电机组的发电量取决于它的功率特性和风能 利用系数特性。目前市场上各种大型风电机组按照 有关标准分成3个标准级别和1个特殊级别，以适应 不同风场的风况特性。但是由于实际风电场风况与 环境条件之间差别较大，而风电机组分级数量有限， 因此机组实际运行的条件与设计条件可能存在差 — ——— — —— —— —— —— —— —— ——
第 25 卷 第 7 期 2009 年 7 月
文章编号：1674- 3814（2009）07- 0053- 04
电网与清洁能源 Power System and Clean Energy
中图分类号：TM614
清洁能源 Cle a n Ene rgy
Vol.25 No.7 Jul.2009
文献标志码：A
环节都存在损失，因此实际风能利用系数低于理论
风能利用系数，即Cp<0.593。风电机组实际能得到的 有用功率输出可以表示为：
P=
1 2
ρSv3Cp
（4）
此外由于发电机容量的限制，实际机组的输出
功率具有上限，称为额定功率。风电机组输出功率
与风速的关系见图1中实线，该关系称为机组的功
率曲线，是反映机组性能的主要关系线。图中同时
关键词：风电机组；性能评估；功率曲线；风能利用曲线；Bin 方法
0 引言
异；此外机组在运行过程中结构参数和操作方式发 生变化等因素也会对机组性能产生影响，从而导致 风电机组的实际运行特性与设计不同，影响机组的 实际发电量[1]。通过对反映风电机组特性的实际运行 参数进行定期测量分析，一方面可以对风电机组的 设计性能进行验证，另一方面也可以判断在长期运 行过程中机组性能的变化趋势，从而分析确定风电 机组的运行状况变化和零部件的故障损坏等问题， 为风电机组的优化运行和合理维护工作提供依据。
（Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, Ministry of Education,North China Electric Power University,Beijing 102206,China）
国际电工委员会颁布的标准中规定了功率曲线 的测试方法[2]，我国也制定了相应的风电机组功率特 性试验标准[3]。但这种测试方法是针对新型号风力发 电机组的认证提出，而且由于对测试条件要求比较 苛刻，一般的风电场较难实现。本文针对实际机组运 行数据，参照IEC标准，提出一种利用Bin方法从功率 曲线中提取一些特征值，并将其推广到机组风能利 用曲线的提取和分析。依据实际功率曲线和风能利 用曲线对风力发电性能进行了分析和评估。
KEY WORDS: wind turbine; performance evaluate; power curve; wind power coeffiicinet curve; method of Bins
摘要：针对实际1.5 MW风电机组，通过获取反映机组运行性 能的实测风速、功率等数据，采用Bin方法对数据进行处理 后，获得风电机组的功率曲线，并将其推广到机组风能利用 曲线的提取。通过计算得到了2台机组的实际运行功率曲线、 风能利用曲线及其标准差值，对风电机组的运行性能进行了 对比分析和评估。
Vol.25 No.7
比功率标准差和风能利用系数标准差分布图就可 以看出2台机组的差异。机组1在13.5 m/s至16.5 m/s 风速范围的Bin区间上的功率标准差要明显大于机 组2。这也验证了机组2运行状态较差的结论。
3 结论
本文结合IEC 61400-12功率特性测试标准中的 Bin方法，提出了一种针对实测风电机组数据的性能 评估方法，即利用Bin区间内输出功率与风能利用系 数的标准差作为性能评估的特征量，并根据各Bin区 间内标准差的大小对机组运行性能进行分析判断。 将该方法应用于风电机组实测数据的计算与分析 中，通过对比2台工作状态和风速分布比较接近的 风力发电机的功率曲线、风能利用曲线及它们的Bin 区间标准差，得出2风机间性能的差距，验证了本文 采用方法的简单实用性，为评估风力发电机组性能 提供了一种有效的方法。
图4 测量分析数据点数分布与功率,风能利用系数 标准差分布柱状图
出了相应的功率标准差和风能利用系数标准差的 柱状图。图4中数据取2台机组在相同运行时间段内 的实测数据。可以看出，2台机组的风速分布形状相 近，表明作用在2台机组上的风况比较接近。但是对
参考文献
[1] Erich Hau. Wind Turbines[M]. 2nd ed.Springer, 2005. [2] IEC 61400-12 Wind Turbine Generator Systems Part 12:
为了进一步验证上述结果的可靠性，计算2台 风电机组在正常运行状态下各Bin区间内的风速分 布，如图4所示。同时为了便于直观对比，图4中也给
图2 利用Bin方法得到的功率曲线及其标准差
图3 利用Bin方法得到的风能利用曲线及其标准差
清洁能源 Cle a n Ene rgy
５６
刘 昊等：基于运行数据的风力发电机组功率特性分析
Pn,i,j
j=1
（5）
式 中 ，Vi、Pi 分 别 为 第 i 个 Bin 的 平 均 风 速 和 功 率 值 ;
V 、N n,i,j n,i,j分别为折算后的第i个Bin的第j组的风速
和功率测量值;Ni为落入第i个Bin的测量数据对的
数量。
为了便于分析，本文引入了功率标准差的概
念，第i个Bin的功率标准差计算公式如下：
图2所示为对2台地理位置和工作状态相近的 同型号风电机组利用Bin方法做出的实际平均功率 曲线。图中同时给出参考功率曲线（设计曲线）和每 个Bin内功率的标准差计算值。可以看出，图2(a)所示
机组1的实际功率曲线在额定风速以下区间略低于 设计曲线，各Bin的标准差相对较小，反映机组运行 状态比较稳定。图2(b)所示机组2的实际功率曲线在 低于额定风速以下区间内要比图2（a）机组1的低一 些，而且在高于额定风速时，有部分Bin区间内功率 的标准差偏大，运行状态不太稳定。据此可以判断 图2(a)对应风电机组1的性能优于图2(b)对应的风电 机组2。
取决于这一风速段设计和运行控制效果。
3）风速在额定风速和切出风速之间，由于发电
机额定功率的限制，风力发电机组输出功率不再随
风速的增大而增加，而是通过变桨距角控制保持输
出功率恒定。
4）当风速高于切出风速，为避免机械部件的损
坏，风电机组切出停机，叶片调整为顺桨位置。
1.2 功率曲线的测试方法
国际电工委员会于1998年2月颁布了IEC 61400-
基于运行数据的风力发电机组功率特性分析