影响直驱风机功率曲线的因素

影响直驱风机功率曲线的因素

发表时间：2017-12-07T18:59:48.800Z 来源：《电力设备》2017年第22期作者：镇红军

[导读] 摘要：风力发电机是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。作为一种不会产生辐射或造成空气污染的绿色能源（北京京能新能源有限公司宁夏分公司宁夏银川 750001）

摘要：风力发电机是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。作为一种不会产生辐射或造成空气污染的绿色能源，风力发电正在世界上形成一股热潮。但风力发电机在工作时由于受到环境或本身结构的影响，其功率会受到影响，文章就影响直驱风力发电机功率的各方面因素进行探讨。

关键词：直驱风机；功率影响因素；功率曲线

一、功率曲线的介绍

功率曲线指风力发电机组输出功率和风速的对应曲线，是衡量机组风能转换能力的重要指标。风电机组所利用的风能处于自然状态，风电机组的实际运行功率曲线，即风电机组在运行过程中通过机组控制器和后台软件所形成的功率曲线。由于受到温度、气压、叶片污染及机组自身特性等因素的影响，不同风电机组所处的自然环境不同。因此，从风电场实际看，不同风电场风电机组形成的功率曲线不同；同一风电场不同风电机组之间的功率曲线有差别；同一台风电机组在不同时间所形成的功率曲线也不尽相同。分析实际运行功率曲线的形成和影响因素，便于理解实际运行功率曲线与标准功率曲线之间的差异。了解影响风电机组功率特性的因数，有利于把风电机组调整到较好的工作状态，以增加风电机组的出力。

标准功率曲线是在标准的工况下，根据风电机组设计参数计算给出的风速与有功功率的关系曲线。标准功率曲线所对应的环境条件是：温度为15℃，1 个标准大气压（1013.3hPa），空气密度为1.225kg/m3。风电机组的实际效率主要通过风电机组实际运行的功率曲线得到反映，实际功率曲线的好坏综合反映了风电机组的经济性。风电场的实际工况与标准功率曲线给定的环境条件之间存在很大的差异，这就决定了实际运行功率曲线与标准给定功率曲线的区别。

目前，研究风电机组叶轮的空气动力问题有3 种方法：理论计算、风洞试验和风电场测试。风洞试验主要用于基础研究和小型风电机组的性能测试，风电场测试主要用于大型风电机组的性能测试和应用研究。要研究和得到较为准确的反映兆瓦级风电机组的实际功率性能曲线，需要理论计算与风电场测试相结合[1]。自然状态的风，不受人为控制，其流动十分复杂，一般为湍流。人类对湍流进行了长达100多年的研究，虽然取得了不少进展，并解决了不少工程问题，但是由于湍流运行的极端复杂性，其基本机理至今仍未完全掌握，而且不能准确地定义并定量地给出湍流运动特性。这就给风电机组功率曲线的数字模拟带来了困难。风电机组功率特性的理论计算还存在诸多局限，需要用风电场测试加以补充和完善[1]。因此，如果给出的标准功率曲线或当地风况功率曲线只是通过静态的模拟计算获得，由这种方法得到的功率曲线可能与风电机组的实际性能产生较大的偏差。

二、影响直驱风机功率曲线的因素

影响直驱机组功率曲线有多种因素。空气密度、机组偏航对风偏差、风速仪测量误差、叶片对零偏差、不同的风剪切梯度、不同强度的湍流风况等都会影响机组的功率。

（四）叶片对零角度偏差

在风电机组中，叶片不仅可以在风力的作用下绕风轮的中心公转，每个叶片还可以绕自身轴线自转，以实现“找风”。叶尖横截面上的特征弦线（即，叶尖横截面上的最长的一条弦线）与叶片旋转平面之间的夹角称为安装角。叶片零位角是指叶片自转角为0°时的安装角。叶片对零角度出现较大偏差也会造成机组功率曲线不良。

左图为差3.3度时的情况，右图为调整后的情况。

（四）风剪切梯度

风剪切为风在垂直方向上的变化规律及特征，不同的风剪切梯度也会影响机组的功率曲线。受地形影响，相同高度，不同地域的风剪切梯度不同，当轮毂高度的风速大于叶轮整体平均风速时，机组的功率曲线偏低。

（五）湍流风况

湍流（紊流）是流体的一种流动状态。空气动力学中的湍流指的是短时间（一般少于10min）内的风速波动。湍流产生原因主要有两个：当空气流动时，由于地形差异（例如，山峰）与地表产生的“摩擦”；由于空气密度差异和气温变化的热效应空气气团垂直运动。这两种运动往往相互关联。

湍流强度是风电场的重要特性指标，它的计算、分析是风电场资源评估的重要内容。湍流对风电机组性能的不利影响主要是减少功率输出，增加风电机组的疲劳载荷，最终削弱和破坏风电机组[3]。

湍流强度是描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度，是描述大气湍流运动特性最重要的特征量。风电场风电机组的湍流可以由当地的地形条件产生，也可以由风电场风电机组之间相互影响产生。

湍流风况会延缓机组的满发风速，即湍流越高机组功率曲线中显示的满发风速越高。除此以外，高湍流风况也会造成机组功率曲线无法满发。

结语

由于风电机组的实际运行功率曲线受到风电场的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必然不同。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有可能达不到其理论值，或发电量低于其他同种类型风电机组。影响直驱风机功率曲线的因素很多，有机械方面的风向标对风和最小叶片角度问题，有机组控制策略及参数问题，还有叶片翼型气动特效、叶片污染、地形等问题[4]。

因此，在条件没有严格限定并考虑到多种影响因素的条件下，风电机组自身形成的实际运行功率曲线很难作为准确判断风电机组性能的依据。如果要对风电机组的功率特性进行评估和测定，需结合风电场的实际情况，并考虑到风电机组功率曲线的多种影响因素，方能使测试的偏差较小，使其能真实地反映风电机组的性能。

参考文献：

[1] 贺德馨，等.风工程与空气动力学[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2] 何显富，卢霞，杨跃进，刘万琨.风电机组设计、制造与运行[M].北京：化学工业出版社，2009.

[3] 叶杭冶，等.风力发电系统的设计、运行与维护[M].北京：电子工业出版社，2010.

[4] 风电机组功率特性试验标准[S].IEC61400-12-1.2005