风机综合功率曲线的探索分析

风力发电机机综合功率曲线的探索分析
郭希红1张铭2
（1国电山西洁能有限公司；2国电山西洁能有限公司）
【摘要】本文介绍了一种利用风机实际运行数据，计算风机功率曲线和功率的方法。

本文采用了我国山西北部山区的实际风速以及风机运行数据，采用分析、对比方法对这些数据进行处理，整理出一套适合风场应用的风机综合功率曲线，通过对比验证它比风机厂商提供标准功率曲线更能反映出风机的发电能力，对生产运营和风力资源预测更有参考价值。

【关键词】标准功率曲线；综合功率曲线；发电量；风速
0引言
风能是一种干净的储量极为丰富的可再生能源，作为风能利用的主要形式，风力发电是目前技术成熟最具规模的可再生能源发电方式之一。

由于风力发电机组的功率曲线是衡量风电机组经济技术水平的最佳标尺。

目前，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不同，所以风场风机实际运行的发电量同预期的发电量有很大差别。

本文通过风电场运行日志报表上同一型号机组每台风机日发电量和日平均风速的观察，积累历史数据，找出风速和发电量的对应关系。

（本文主要针对UP82 3A＋机组）寻找出同一类型机组日运行功率曲线后，它就可以成为一个基准，来确定风场中运行机组的健康状态，能从中显现出隐含的缺陷，从而针对处理。

这里说的功率曲线同风机厂家提供的机组标准功率曲线有所区别，姑且定义它为“风机综合功率曲线”，更能反应出风机的发电能力。

它采用风机24小时内的平均风速，和日发电量为两个基本参数，综合考虑了众多的因数，包括气象条件、地形条件、风资源状况，由于它采用一天
的平均值，表现出和标准功率曲线的不同，不存在风机的切入风速，即使日平均风速低于切入风速，也有发电量；日均风速在额定功率风速以上，风机却达不到额定功率。

经观察，风大的时候，一天内风速的变化幅度较大，由于风速大切机的情况频繁发生，出现了风大不一定能多发电的情况。

]
1风力发电机组综合功率曲线
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。

风机发电量：当日单台风机的发电量。

我公司右玉风场3期33台风机、平鲁风场1期33台风机、静乐风场1期33台风机，它们同为UP82 3A＋机组，同为在山西北部山区山顶处安装的风机。

本文是在收集了多台次连续时间段，跨越多个风场，跨越多个季节风机的发电数据，利用excel表将它们按风速由低到高排列，风速取有效数值小数点后一位，按4舍5入的原则计某一风速下风机的发电量的采样值，如、、等均记为，对于风速s对应的日发电量取其平均值。

其中：
n:为某一风速范围内样本个数
w i:为某一风速范围内某一特定风速对应的日发电量
w v:为某一风速对应的日发电量
@
具体如下：
（kwh）
风机数据归纳整理
具体计算过程中，首先排除极不合理数值，如故障停机，这一天的电量为零，但有风速；或者是风机有故障，被人为对风机限制发电的等。

其次风机的发电量在一定的范围内是随着风速的增加而增加，根据风功率公式：（式中w为风功率；ρ为空气密度；v为风速；A为风速截面积）可知风功率和风速的三次方成正比，这只是理论公式，实际上ρ、A均是变动的，通过这个公式很难算出风机某一风速下的功率。

根据这一原则，由低到高计算某一风速下的发电量，但可能出现相邻风速低的发电量比风速高的发电量高，在这种情况下，逐步删除某一风速下一系列发电量采样值中最小的，直到满足上述原则。

按照这样的方法本文得出下面一系列的数值见表1，表中每一风速对应的发电量都是一系列实际发电量的平均值。

表1根据实际风机日发电量归算得出的风机风速电量关系表
风速日发电量风速日发电量
}
风速
日发电量风速日发电量
34$
5
6003
^
?
2504:
7210
-
@
8095
、
52309487
【
67136858,
风速日发电量风速日发电量
风速
日发电量风速日发电量
9
16635
!
17881
10389
>
%
%
)
23954
】
1591823903
，
1012—
13
293773012432053…
—
2833929643
2491529334?
32955
29178
—
2597829109
~
32906
—
2649331109
2667230695?
34906
141534203《
风速日发电量风速日发电量
风速
日发电量风速日发电量
3409235536
）
33565…
35771
34370
*
#
32174
》
3482935574
34798
|
34928
*
然后由上表求出每一整数风速下的均值，并计算出功率值和风机厂商提供的标准功率曲线相比较见表2。

表2风机标准功率曲线和综合功率曲线比较表
风速（m/s）日发电量(kwh)综合功率(kw)标准功率(kw) -
2
0 3
4{
5
6
>
7
8
9—
10
风速（m/s）日发电量(kwh)综合功率(kw)标准功率(kw) 111500
：
1500 12
131500
14【1500
151500
161500
}
从图1中可以看出在风速7米以下以下实发平均功率大于标准功率，风速7米以上实发平均功率远小于标准功率，而且风速直到16m/s也未达到额定功率，只是无限趋近与额定功率。

风机标准功率曲线、综合功率曲线、最优功率曲线比较
为了更便于说明问题，从各风场统计这一型号风机日发电量的历史最高纪录列出表3。

表3风机在该风速下最优发电量
风速电量风速
（
电量
风速电量风速电量
343468
'
10516
25869
59365012564
( 26841
11943801405327802 !
146
44401488929178
385
(
4612
1529930022
4045095
<
17765
30085
627519518823
/ 30165
64655671989630695 !
674
56292012531576
862
,
6035
2055533218
8796306
!
20770
33290
1223682222327
、34069
133172202234935391 &
1639
79412326135615
2298
…
8342
2365135680
23358379
{
23973
35771
2559955924429
]
3220965025454
由上表计算出最优整数风速下风机的日发电量表4。

.
表4
风速（m/s）最优日发电量(kwh)最优功率(kw) 2
3
(
4
5
6
7^
16694
8
9
10@
11
12
1335503
(
35680
14
15
1635771
然后将三个功率曲线做一比较见表5。

,
表5风机标准功率曲线、综合功率曲线、最优功率曲线比较表
风速（m/s）标准功率(kw)实际综合功率(kw)实际最优功率(kw) 20
3"
4
5|
6
7
8￥
9
10|
111500
121500
13!
1500
141500
151500'
161500
从图2可以看出，即使在风机最优状态下，也达不到风机厂商提供的标准功率曲线的要求，按照标准功率曲线预测发电量存在很大误差，在风速低于7m/s的低风速区域
预测值偏小，在大于7m/s高风速区域预测值偏大，只有在标准功率曲线和实际综合功率曲线的交叉点即风速为7m/s附近对应发电量接近真实值。

2利用风机综合功率曲线预测风电场日发电量，及考评风电场风机的运行状况
一个风场一天的运行报表，上面有风场每台风机运行1天的平均风速和发电量，如何快速全面地看到整个风场每台风机的运行状况，并找出发电量异常的风机，及时处理是提高整个风场发电量的必要手段。

可以利用一个程序快速地找到某一风速对应的发电量，按下面的逻辑图确定。

?
第一部将表1作为数组，一个风速对应一个发电量，按风速由小到大排列输入程序中作为数据库调用。

流程图如下,令a1﹤a2﹤a3﹤……﹤a n
利用Microsoft office Excel2007表格中用IF函数能够实现上述逻辑图，但将出现多级IF函数嵌套，而在Excel 2003及以前的版本中，最多允许7层IF函数嵌套。

即使Excel 2007中允许使用64层IF函数嵌套。

发现在Excel中，还有另一函数可以解决这个问题，那就是LOOKUP函数。

LOOKUP函数可返回一行或一列区域中或者数组中的某个值。

LOOKUP函数具有两种语法形式：矢量和数组。

矢量形式的LOOKUP在一行或一列区域（称为矢量）中查找值，然后返回另一行或一列区域中相同位置处的值。

数组形式的LOOKUP在数组的第一行或列中查找指定值，然后返回该数组的最后一行或列中相同位置处的值。

这里使用矢量形式LOOKUP函数，其语法为：LOOKUP（lookup_value、lookup_vector、result_vector）
Lookup_value是LOOKUP在第一个矢量中搜索到的值
Lookup_vector是一个仅包含一行或一列的区域的数值可以为文本、数字或逻辑值；
Result_vector是一个仅包含一行或一列的区域其大小必须与lookup_vector相同。

具体做法如下：将表1风速、电量值由大到小分别输入A列、B列，风速数值占据A2到A131单元格、电量数值占据B2到B131单元格,在表的空白处列出下表。

风机编号FJ01#FJ02#FJ03#...FJ33#实发电量（kwh）10692112508000 (15551)
平均风速(m/s)...
应发电量（kwh）10389...
实发电量（kwh）、平均风速(m/s)从风场报表中考入，对于FJ01#风机的应发电量（kwh）在Excel表中处于E6单元格，平均风速(m/s)处于E5单元格。

在E6单元格中输入“=LOOKUP(E5,$A2:$A131,$B2:$B131)”，从而找出﹥﹥,取值10389。

参见屏幕截图。

点击E6单元格，将鼠标单元格右下角出现“+”，按下鼠标右键，拉至AK6单元格松开右键。

选择平鲁风场2013-5-28报表，该日运行日志显示所有风机正常运行，全风场平均风速s。

从上图可以看到实发电量和应发电量基本吻合。

选择平鲁风场2013-4-27报表，该日运行日志显示FJ09#风机故障，其余风机正常运行，全风场平均风速s。

从上图可以看到实发电量和应发电量基本吻合，FJ09#风机故障明显。

选择平鲁风场2013-3-9报表，该日运行日志显示FJ16#、FJ05#风机故障，其余风机正常运行，全风场平均风速s。

从上图可以看到实发电量和应发电量基本吻合，FJ16#、FJ05#风机故障明显。

下面用风机厂家供该型风机标准功率曲线分别作上面图，对比一下。

图3和图6对比可见在风速7m/s附近，用综合功率曲线和标准功率曲线计算出的发电量和实际发电量较接近，但综合功率曲线更接近；图4和图7对比可见在风速低于7m/s，用综合功率曲线计算出的发电量和实际发电量较接近；图5和图8对比可见在风速高于7m/s，用综合功率曲线计算出的发电量和实际发电量较接近。

3结论
通过以上探索性分析，从风场实际的运行数据找出了一个更能反映风机发电特性的功率曲线，把它称作“综合功率曲线”，但它不同于风机的标准功率曲线。

任何一台风机的发电状态都是十分复杂的，有好多因素影响发电量，如地理状况、人为因素、不可避免的小缺陷小故障等，所有这些都使风机不可能处于一种理想化的运行工况中。

而“综合功率曲线”来源于实际运行数据，把这些都综合考虑了，接近实际运行工况，可以用它来能够比较准确的评价风场的运行状况，也可以根据历史风速预测发电量，还可以用来作风场风资源评估参考。

作者简介：
姓名：郭希红、职称：高级工程师、从事专业：电力系统及其自动化、工作单位：国电山西洁能有限公司、单位地址：山西省太原市平阳路101号国瑞综合楼、邮编：030006、Emil地址：、联系电话：
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