文|王明軍,莫爾兵
攝影:苑春陽
目前,實(shí)際運(yùn)行功率曲線考核風(fēng)電機(jī)組性能受到業(yè)內(nèi)人士的過度重視。國(guó)內(nèi)大部分整機(jī)制造商都是通過的設(shè)計(jì)評(píng)估或設(shè)計(jì)認(rèn)證,在認(rèn)證時(shí)并未對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率曲線進(jìn)行測(cè)試。因此,大部分制造商提供的擔(dān)保功率曲線是通過設(shè)計(jì)仿真計(jì)算出來的理論功率曲線(靜態(tài)功率曲線),但由于現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)況、傳動(dòng)鏈阻尼、系統(tǒng)測(cè)風(fēng)等因素的影響,風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際功率曲線與理論曲線會(huì)存在差異。
實(shí)際運(yùn)行功率曲線的外界影響因素很多,也極其復(fù)雜。因此,風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行得到的功率曲線很難準(zhǔn)確反映機(jī)組的出廠性能。也就是說,從一定程度上講,風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線與出廠性能之間的相關(guān)性較差。另一方面,風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線,因其可以反映機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與機(jī)位的風(fēng)況條件,對(duì)判斷和處理機(jī)組故障十分有利。然而,業(yè)內(nèi)人士對(duì)此卻普遍關(guān)心較少。
功率曲線是風(fēng)電機(jī)組的重要運(yùn)行性能的表現(xiàn)形式。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)的的一系列規(guī)格化數(shù)據(jù)對(duì)(vi,Pi)所描述的特性曲線。
標(biāo)準(zhǔn)功率曲線是在標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)的環(huán)境條件是:溫度為15℃,1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1013.3hPa),空氣密度為1.225kg/m3。標(biāo)準(zhǔn)功率曲線只是通過靜態(tài)的模擬計(jì)算獲得,而未考慮其他可能影響到風(fēng)電機(jī)組功率曲線的因素,如圖1 所示。
在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度(ρ=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)系曲線稱為該風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。
圖1 1.5MW風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)功率曲線
靜態(tài)功率曲線忽略了風(fēng)的湍流特性,是理想情況下的機(jī)組出力性能。在對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行仿真時(shí)還需要考慮控制策略的作用,以反映機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),如變速變槳機(jī)組需要通過改變槳距角來控制輸出功率的大小,在快達(dá)到滿負(fù)荷與滿負(fù)荷之間有明顯的拐點(diǎn),如圖1 所示。靜態(tài)功率曲線是在風(fēng)速恒定條件下得到的風(fēng)電機(jī)組可以產(chǎn)生的電功率,但實(shí)際風(fēng)速是不停地變化的。
動(dòng)態(tài)功率曲線是考慮風(fēng)的湍流特性而繪制的功率與風(fēng)速關(guān)系曲線,每種風(fēng)速下的功率是一定時(shí)間內(nèi)的功率平均值。動(dòng)態(tài)功率曲線在達(dá)到額定功率之前更平滑,無明顯拐點(diǎn),如圖2 所示,顯然更符合機(jī)組平緩運(yùn)行的實(shí)際情況。因此,風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)功率曲線的滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速高于靜態(tài)功率曲線的滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速。
受外部環(huán)境和控制策略的影響,風(fēng)電機(jī)組實(shí)際測(cè)試的功率曲線與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線存在著很大的偏差。
功率曲線是由機(jī)組發(fā)電功率與風(fēng)速一一對(duì)應(yīng)而形成的特性曲線。因風(fēng)電機(jī)組葉輪質(zhì)量較大,監(jiān)控系統(tǒng)上顯示的瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)電功率不一致的情況會(huì)經(jīng)常出現(xiàn),且風(fēng)況變化的隨機(jī)性很大。從實(shí)踐來講,風(fēng)速點(diǎn)的數(shù)據(jù)量過少,不具有評(píng)估價(jià)值。在短時(shí)間內(nèi),機(jī)組不能形成較為完整、準(zhǔn)確的功率曲線。風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線的形成需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過程,因此,評(píng)價(jià)功率曲線一定要使用長(zhǎng)期數(shù)據(jù)。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)的功率曲線調(diào)整后所需的驗(yàn)證時(shí)間較長(zhǎng)。
圖2 1.5MW風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)功率曲線
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18709-2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量方法》和GB/T18710-2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》制定的《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量和評(píng)估技術(shù)規(guī)定》(發(fā)改能源[2003]1403 號(hào))中要求:“現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量收集數(shù)據(jù)應(yīng)至少連續(xù)進(jìn)行一年,并保證采集的有效數(shù)據(jù)完整率達(dá)到90%以上”。這就是說,在獲得風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線時(shí),不僅要考察每臺(tái)機(jī)位的湍流強(qiáng)度等風(fēng)況條件和地形條件,功率曲線形成的時(shí)間長(zhǎng)短、數(shù)據(jù)的完整性,還需考慮有效數(shù)據(jù)完整率。例如:風(fēng)電場(chǎng)限電后所生成的功率曲線數(shù)據(jù),不能稱之為有效數(shù)據(jù);受到干擾和影響的數(shù)據(jù)因不能反映風(fēng)電機(jī)組的真實(shí)性能,不能計(jì)入風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線的形成和統(tǒng)計(jì)之中。
風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率曲線是通過散點(diǎn)分布圖繪制而成。從嚴(yán)格意義上講,功率曲線是測(cè)不準(zhǔn)的,因?yàn)闄C(jī)組的實(shí)測(cè)功率曲線很離散且范圍較寬。由圖3 可知,在滿負(fù)荷風(fēng)速以下的風(fēng)速段,不僅同一風(fēng)速機(jī)組功率的最大值和與最小值之間的偏差巨大,而且功率平均值也處在一個(gè)很寬的范圍。由于功率曲線散點(diǎn)分布的離散性,同一風(fēng)電機(jī)組在不同時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行功率曲線一定是不同的。在其他條件完全相同的情況下,因主控的不同(包括主控參數(shù),主控硬件,軟件等)會(huì)造成功率曲線的不同。
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(chǎng)的風(fēng)況和形成條件的影響,風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)況和條件下形成的功率曲線是不同的。一臺(tái)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可能達(dá)不到其理論值,發(fā)電量低于其他同類型風(fēng)電機(jī)組。
所以,我們?cè)谕ㄟ^實(shí)際運(yùn)行功率曲線考察風(fēng)電機(jī)組性能時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮影響功率曲線的多種因素,并對(duì)環(huán)境、障礙物等影響因素給以嚴(yán)格的限制條件。根據(jù)負(fù)載的性質(zhì),負(fù)載的大小以及風(fēng)電機(jī)組安裝現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、風(fēng)向、地形等情況的不同,風(fēng)電機(jī)組的功率曲線是一組而不是一條。也就是說,同一風(fēng)電機(jī)組會(huì)因條件(如:時(shí)間、季節(jié)、位置、限負(fù)荷等)的改變形成一系列不同的功率曲線。
圖3 風(fēng)電機(jī)組功率特性測(cè)試的散點(diǎn)分布圖
隨著中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,裝機(jī)總量突飛猛進(jìn),越來越多的業(yè)主開始對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性進(jìn)行測(cè)試。風(fēng)電機(jī)組功率特性測(cè)試一般按照IEC61400-12-1 進(jìn)行。
風(fēng)電機(jī)組的功率特性主要體現(xiàn)在機(jī)組的功率曲線、年發(fā)電量及功率系數(shù)。影響風(fēng)電機(jī)組功率特性的主要外界因素有地形、空氣密度、大氣壓強(qiáng)及風(fēng)況等。進(jìn)行功率特性測(cè)試應(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),以精確地確定風(fēng)電機(jī)組的功率輸出特性。
(一)采用IEC61400-12 評(píng)估實(shí)際運(yùn)行功率曲線的難點(diǎn)
IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了功率曲線的測(cè)量評(píng)估方法。有如下要求:
(1)風(fēng)速、電功率傳感器應(yīng)具有一定的采樣頻率和測(cè)量精度。
(2)要求對(duì)機(jī)位的地形條件進(jìn)行評(píng)估,排除地形、障礙物對(duì)風(fēng)電機(jī)組出力的影響。
(3)要求搭建標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)風(fēng)塔來測(cè)量風(fēng)電機(jī)組的來流風(fēng)速,并對(duì)測(cè)風(fēng)塔測(cè)量的扇區(qū)進(jìn)行規(guī)定,即保證測(cè)風(fēng)塔測(cè)出的是被測(cè)機(jī)組的來流風(fēng)速,而不是尾流。
(4)要求在計(jì)算平均風(fēng)速時(shí),考慮空氣密度對(duì)風(fēng)能的影響,要求進(jìn)行風(fēng)速修正,即修正到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度。
(5)評(píng)估方法是按照10mins 的統(tǒng)計(jì)平均值來進(jìn)行,即計(jì)算風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的每個(gè)10mins 時(shí)間段內(nèi)的平均風(fēng)速、平均功率,再按照所有的10mins 平均風(fēng)速大小來排列分類,按照0.5m/s 區(qū)分1 個(gè)區(qū)間。最后在每個(gè)區(qū)間內(nèi)再計(jì)算平均風(fēng)速、平均功率,以此作為功率曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)。
(6)要求在每個(gè)0.5m/s 內(nèi)測(cè)到的10mins 平均風(fēng)速、功率數(shù)據(jù),應(yīng)超過規(guī)定的數(shù)據(jù)量。
(7)要求對(duì)測(cè)量的不確定度進(jìn)行評(píng)估。
由以上的規(guī)定條件和測(cè)定要求可知,功率曲線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是相當(dāng)復(fù)雜的。雖然,實(shí)際風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)功率曲線的繪制方法是根據(jù)相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,但風(fēng)速、電功率采用的是機(jī)組自身的傳感器,其測(cè)量精度難以達(dá)到IEC61400-12中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求;沒有排除地形、障礙物對(duì)功率曲線測(cè)量的影響;也沒有對(duì)空氣密度進(jìn)行準(zhǔn)確地修正。因此,風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組所形成的功率曲線難以準(zhǔn)確反映風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際性能。
(二)采用IEC61400-12-1 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估實(shí)際運(yùn)行功率曲線實(shí)際操作存在的問題
依據(jù)IEC61400-12-1 進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率特性測(cè)試,可以較為準(zhǔn)確地評(píng)估出機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)估算出年發(fā)電量,通過進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在的問題。但通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率曲線實(shí)際測(cè)試過程的總結(jié),發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)問題:
(1)依據(jù)IEC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功率特性測(cè)試雖然準(zhǔn)確地評(píng)估出單臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài),但耗費(fèi)了大量的人力物力及時(shí)間,如何準(zhǔn)確、快速、低成本地測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)所有機(jī)組的性能是一個(gè)亟待解決的問題。
(2)IEC 標(biāo)準(zhǔn)采用10mins 內(nèi)的平均風(fēng)速,但是在額定風(fēng)速處曲線較為平滑,相對(duì)準(zhǔn)確地確定額定風(fēng)速存在一定難度。
(3)IEC 標(biāo)準(zhǔn)在估算年發(fā)電量時(shí)采用的是瑞利分布,若采用風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行威布爾曲線擬合,此時(shí)估算的年發(fā)電量或?yàn)楦訙?zhǔn)確。
(4)國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)的地形普遍比較復(fù)雜,對(duì)于已投產(chǎn)后的風(fēng)電機(jī)組如何進(jìn)行場(chǎng)地標(biāo)定是需要研究解決的問題。
(三)采用IEC61400-12-2 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率曲線所存在的問題
在接近滿負(fù)荷發(fā)電時(shí),湍流強(qiáng)度對(duì)機(jī)組功率曲線影響較大,如圖4 所示。因此,IEC61400-12-2 標(biāo)準(zhǔn)特別闡述了湍流強(qiáng)度對(duì)功率曲線的影響。湍流導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速段的實(shí)際功率曲線優(yōu)于靜態(tài)功率曲線;在高風(fēng)速段,特別是額定風(fēng)速段,實(shí)際的湍流功率曲線比靜態(tài)功率曲線差。機(jī)組實(shí)際功率曲線的滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速遠(yuǎn)高于靜態(tài)功率曲線上的滿負(fù)荷風(fēng)速,如圖1 和圖2 所示。
風(fēng)電場(chǎng)的瞬時(shí)風(fēng)速與瞬時(shí)風(fēng)能是不斷變化的,而風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比。因此,當(dāng)采用一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速和平均風(fēng)能相對(duì)應(yīng)時(shí),其結(jié)果為:相對(duì)應(yīng)的風(fēng)速、風(fēng)能與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際情況是不一致的,后者高于前者。由此,在低風(fēng)速段,動(dòng)態(tài)功率曲線優(yōu)于靜態(tài)功率曲線。
但是,在高風(fēng)速段,由于風(fēng)電機(jī)組有額定功率的限制,控制系統(tǒng)使機(jī)組一直保持在額度功率附近不超過允許值,最終導(dǎo)致高風(fēng)速時(shí)的能量被損耗掉了。因此,在高風(fēng)速段,由于湍流的影響,動(dòng)態(tài)風(fēng)速下超過額定電功率的部分被削峰了,而低于額定電功率的部分又缺乏有效手段填平。因此,實(shí)際動(dòng)態(tài)功率曲線在接近滿負(fù)荷風(fēng)速段低于靜態(tài)功率曲線,如要求其完全滿足靜態(tài)功率曲線是不科學(xué)的。
圖4 湍流對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率曲線的影響
IEC61400-12-2 標(biāo)準(zhǔn)推薦了一種技術(shù)方案:通過動(dòng)態(tài)湍流功率曲線來推導(dǎo)靜態(tài)功率曲線。但該方案有一些假設(shè),如:假設(shè)無論風(fēng)速如何快速變化,風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)都能夠快速變化并以最佳狀態(tài)運(yùn)行。然而,葉輪及機(jī)艙的質(zhì)量很大,因其慣性的作用,在實(shí)際上是不可能達(dá)到的;另一個(gè)假定,時(shí)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)風(fēng)速轉(zhuǎn)化到頻域內(nèi)是符合正態(tài)分布的,其正態(tài)分布函數(shù)就是平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度。由此可見,該標(biāo)準(zhǔn)僅提供了評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)眾多機(jī)組功率特性的一種思路和方法,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行功率曲線的技術(shù)評(píng)估具有一定的參考價(jià)值,但實(shí)用性不大。
因此,某些整機(jī)生產(chǎn)廠家在投標(biāo)書中不提供機(jī)組的靜態(tài)功率曲線,而只提供機(jī)組在不同湍流強(qiáng)度下的動(dòng)態(tài)功率曲線,這樣,考核功率曲線更接近于機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線,從而有利于功率曲線的考核。
由于風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)機(jī)組功率曲線的復(fù)雜性、某些功率曲線考核的合同條款嚴(yán)重脫離風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行實(shí)況以及業(yè)內(nèi)人士對(duì)功率曲線認(rèn)知上的偏差,風(fēng)電機(jī)組形成的實(shí)際運(yùn)行功率曲線失去了應(yīng)有的價(jià)值和作用。
即使性能完全相同的風(fēng)電機(jī)組,在不同環(huán)境條件下,風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)功率曲線的偏差值,超過10%也是很正常的。實(shí)際運(yùn)行功率曲線因湍流、尾流、地面粗糙度等多種因素的影響,在達(dá)到滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速之前,同種風(fēng)速的發(fā)電功率會(huì)有偏差,與合同要求不符,而這本應(yīng)屬于正?,F(xiàn)象。
如果對(duì)同一風(fēng)電場(chǎng)同種機(jī)型的一批機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的有效數(shù)據(jù)(主控的功率曲線相關(guān)參數(shù)設(shè)置正確,數(shù)據(jù)采樣、篩選合理,軟件形成符合規(guī)范等),且形成正常的一系列功率曲線進(jìn)行綜合分析和考察,將對(duì)考察這些機(jī)組實(shí)際效率有一定的參考價(jià)值。還可以通過同一機(jī)組在不同時(shí)期形成功率曲線之間的差異,判斷機(jī)組故障,或風(fēng)況變化。
但是,業(yè)內(nèi)人士對(duì)功率曲線存在認(rèn)知上的偏差,無論在何種地理位置和風(fēng)況條件下均要求風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組所形成功率曲線上每一風(fēng)速點(diǎn)的發(fā)電功率都不應(yīng)低于合同保證值的95%。更有甚者,要求機(jī)組在幾天或一個(gè)月內(nèi)所形成的功率曲線也要在合同保證值以上。例如:在機(jī)組過240 預(yù)驗(yàn)收時(shí),要求每臺(tái)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線均要達(dá)到合同保證值,這顯然違背了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的基本規(guī)律。這樣的要求,不僅使功率曲線的數(shù)據(jù)量極其龐大,而且,不造假是難以達(dá)到上述要求的。
為了讓每臺(tái)機(jī)組在短時(shí)間內(nèi)均能形成相當(dāng)“漂亮”的功率曲線,整機(jī)商只得采取適當(dāng)?shù)氖侄问箼C(jī)組在短時(shí)間內(nèi)形成的功率曲線“相當(dāng)好”,且每臺(tái)機(jī)組、在每個(gè)風(fēng)速段上機(jī)組的發(fā)電功率都達(dá)到,或超過合同要求,否則,整機(jī)廠商就要賠發(fā)電量、被扣款。殊不知,這樣形成的功率曲線是不可能反映該機(jī)位的氣象條件、地理?xiàng)l件和實(shí)際機(jī)組運(yùn)行狀況的,從而導(dǎo)致生成的功率曲線失去了其應(yīng)有價(jià)值和實(shí)際意義。
因準(zhǔn)確考核機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線極其困難且復(fù)雜,且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可能嚴(yán)重偏離其理論計(jì)算值。因業(yè)主對(duì)功率曲線的苛求,有的生產(chǎn)廠家為了使機(jī)組在投標(biāo)中取勝,不僅機(jī)組實(shí)際生成的功率曲線折算出來的功率系數(shù)遠(yuǎn)高于理論最高值0.593,而且,給出的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線,在不少風(fēng)速點(diǎn)的功率系數(shù)超過0.6,有的風(fēng)速段折算的功率系數(shù)已經(jīng)達(dá)到了0.8。
在簽訂風(fēng)電機(jī)組合同時(shí),一般功率曲線作為一項(xiàng)重要的保證條款,可向整機(jī)廠商索賠,且索賠金額較大,相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制訂又相對(duì)滯后。如論證的結(jié)果是功率曲線不合格業(yè)主則可能得到一筆金額較大的索賠,或者因功率曲線爭(zhēng)議而延遲出保。因此,在中國(guó)各種各樣的功率曲線論證公司也應(yīng)運(yùn)而生,因功率曲線測(cè)試的復(fù)雜性,其準(zhǔn)確和公正程度值得懷疑。
同一生產(chǎn)廠家,同種型號(hào)機(jī)組的生產(chǎn)一致性是容易考察和做到的,而實(shí)際運(yùn)行功率曲線則是反映機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),因外界條件的不同,存在差異,甚至差異很大,且難以準(zhǔn)確測(cè)定。如何簡(jiǎn)便、有效地驗(yàn)證和考察機(jī)組的功率特性值得探討。建議國(guó)家、行業(yè)出臺(tái)相應(yīng)的政策、法規(guī)以規(guī)范市場(chǎng)。