張萬(wàn)秋，劉寶良，鐘丹田，冷雪敏，谷彩連，許傲然

（沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

引言

在文件《IEC61400-12-1》及《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)試》中對(duì)風(fēng)速測(cè)量以及各類(lèi)能量損失要求如下：風(fēng)速儀由于會(huì)受到風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的擾流因素的影響，無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)只風(fēng)輪實(shí)際得到的風(fēng)速，需要對(duì)其進(jìn)行一定校準(zhǔn)后才可用于能量可用率計(jì)算，此類(lèi)校準(zhǔn)通過(guò)運(yùn)行期測(cè)風(fēng)設(shè)備測(cè)到實(shí)際數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)系擬合后才可獲得校準(zhǔn)后的風(fēng)輪前風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中各類(lèi)電量損失的分解及有效管理。目前用于此類(lèi)校準(zhǔn)的風(fēng)速均為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速，系統(tǒng)中風(fēng)電功率曲線也因此產(chǎn)生一定偏差。

1 風(fēng)資源評(píng)估指標(biāo)

隨著風(fēng)電等可再生能源的逐步發(fā)展，處于投運(yùn)中的風(fēng)電場(chǎng)也隨之增加，因此投運(yùn)中的風(fēng)電場(chǎng)評(píng)估工作也得到了重點(diǎn)關(guān)注。投運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)在初期設(shè)計(jì)中的風(fēng)資源評(píng)估準(zhǔn)確程度以及風(fēng)能資源可發(fā)電量成為體現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效益的重要評(píng)估指標(biāo)。風(fēng)資源評(píng)估主要依賴于測(cè)風(fēng)設(shè)備測(cè)得各類(lèi)數(shù)據(jù)，若其與風(fēng)機(jī)機(jī)艙前的真實(shí)風(fēng)速誤差不大，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)功率曲線的問(wèn)題從而避免設(shè)備性能受損。不僅如此，風(fēng)機(jī)的真實(shí)風(fēng)速也會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)各損失電量造成一定影響。目前風(fēng)資源評(píng)估中采用的三類(lèi)指標(biāo)如式（1）～式（3）所示。

在式（1）中，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)平均水平與西方歐美等國(guó)家的風(fēng)場(chǎng)的平均年發(fā)電小時(shí)數(shù)國(guó)有數(shù)百小時(shí)落差，而國(guó)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的TBA 指標(biāo)水平與歐美等地幾乎一致，但是數(shù)百小時(shí)落差卻無(wú)發(fā)解釋清楚，因此僅考慮時(shí)間維度的衡量杜對(duì)于實(shí)際上損失風(fēng)電量并無(wú)實(shí)際意義。若解決這一問(wèn)題，離不開(kāi)風(fēng)速測(cè)量精度。即我們可以同過(guò)精準(zhǔn)的風(fēng)速得知當(dāng)風(fēng)能發(fā)生變化時(shí)風(fēng)場(chǎng)損失電量的變化。而精細(xì)化測(cè)風(fēng)聲雷達(dá)對(duì)比與其他測(cè)風(fēng)設(shè)備，其對(duì)于風(fēng)速的測(cè)量更加準(zhǔn)確。

式（2）中：理論產(chǎn)能，指葉輪前風(fēng)速，為空氣密度，為不同值下的理論功率曲線值。EBA 表示風(fēng)場(chǎng)實(shí)際出力與理論值的比值。EBA 準(zhǔn)確同樣也依賴于準(zhǔn)確的風(fēng)速作為輸入。

計(jì)算EBA 時(shí)離不開(kāi)測(cè)風(fēng)設(shè)備的測(cè)得的風(fēng)速數(shù)據(jù)，依據(jù)由測(cè)風(fēng)設(shè)備測(cè)量的風(fēng)速與參考風(fēng)機(jī)葉輪后風(fēng)速之間的內(nèi)在聯(lián)系，再依據(jù)自由流風(fēng)速扇區(qū)的相關(guān)性，可得到參考風(fēng)機(jī)全扇區(qū)的風(fēng)速，由上述模型可以求出參考風(fēng)機(jī)的理論出力，從而可以得到準(zhǔn)確的EBA結(jié)果[1]。圖1 為投運(yùn)中風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)通過(guò)擬合后的功率曲線與廠商提供的理論功率曲線對(duì)比結(jié)果。

從圖1 中可以，擬合后功率曲線與理論功率曲線并未完全吻合，可能導(dǎo)致設(shè)備性能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致電量損失。各風(fēng)速下功率曲線吻合度如表1 所示。

表1 各風(fēng)速下功率曲線吻合度

為進(jìn)一步準(zhǔn)確得出EBA 數(shù)據(jù)，需要對(duì)機(jī)組功率曲線進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過(guò)程如下頁(yè)圖2 所示，但功率曲線優(yōu)化離不開(kāi)精細(xì)化測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)支撐。

式3 為無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間MTBT：風(fēng)電場(chǎng)可靠性與風(fēng)電場(chǎng)故障率呈現(xiàn)反相關(guān)，當(dāng)而可靠性升高時(shí)故障率降低，因此在風(fēng)資源評(píng)估中MTBT 作用重要性不言而喻。但是MTBT 無(wú)法充分支撐風(fēng)場(chǎng)精細(xì)化管理[2]。另一種則是平均機(jī)組故障時(shí)間MTOTF：MTOTF 是通過(guò)因故障停機(jī)引發(fā)設(shè)備停運(yùn)的單臺(tái)機(jī)組平均耗時(shí)來(lái)反映風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量和維護(hù)隊(duì)伍的響應(yīng)速度、故障診斷能力、修復(fù)效率和備件保障能力。

2 聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔的主要性能對(duì)比如表2 所示，聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比如表3 所示。

表2 聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔主要性能對(duì)比

表2 續(xù)

表3 聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

從表2 對(duì)比看出，聲雷達(dá)從各個(gè)方面均比測(cè)風(fēng)塔更加符合精細(xì)化測(cè)風(fēng)需求以及經(jīng)濟(jì)性。

3 聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)不確定性對(duì)比分析

測(cè)風(fēng)塔由于設(shè)備本身測(cè)量采用的外推法會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)水平和垂直兩種方向的不確定性；而由于雷達(dá)的便攜性可以通過(guò)直接測(cè)量降低不確定性，通過(guò)放置聲雷達(dá)多點(diǎn)測(cè)量降低外推法產(chǎn)生的不確定性；每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3 到6 個(gè)月，最多一年以獲得最優(yōu)參數(shù)。兩類(lèi)設(shè)備測(cè)風(fēng)不確定性對(duì)比分析如下頁(yè)圖3 和圖4 所示。

從圖中可以看出聲雷達(dá)具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1）減少AEP 不確定性（風(fēng)機(jī)輪轂高度和現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域上方風(fēng)的垂直和水平外推）

2）風(fēng)速和風(fēng)向的精確測(cè)量。

3）可以通過(guò)移動(dòng)到幾個(gè)位置來(lái)減少與兩者相關(guān)的不確定性水平和垂直風(fēng)速外推。

4）可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期觀測(cè)和移動(dòng)式觀測(cè)。

4 結(jié)論

通過(guò)分析精細(xì)化測(cè)風(fēng)對(duì)于風(fēng)電資源評(píng)估以及評(píng)估指標(biāo)的重要性，對(duì)比分析聲雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔兩種設(shè)備在性能、經(jīng)濟(jì)性的差異，通過(guò)測(cè)風(fēng)結(jié)果不確定性的表現(xiàn)得出以下結(jié)論，聲雷達(dá)對(duì)比測(cè)風(fēng)塔具備以下優(yōu)點(diǎn)：減少AEP 不確定性（風(fēng)機(jī)輪轂高度和現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域上方風(fēng)的垂直和水平外推）；風(fēng)速和風(fēng)向的精確測(cè)量；可以通過(guò)移動(dòng)到幾個(gè)位置來(lái)減少與兩者相關(guān)的不確定性水平和垂直風(fēng)速外推；可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期觀測(cè)和移動(dòng)式觀測(cè)。