风电机组效率提高与功率曲线的作用

风电机组效率提高与功率曲线的作用
降低风电机组度电成本是业内人士的共同愿望。

在通常状况下，
提高机组效率有利于降低度电成本，然而，过度地强调和提高机组
效率，往往会造成不必要的部件损坏，还会使机组的远期故障几率、备件用量和修理维护成本增加。

为提高机组效率，业主普遍对功率曲线有着“严格”的要求。

当
合同的考核功率曲线要求超越了机组运行实际及相关标准时，整机
厂家除了不顾一切地专注于提高机组效率外，有时还不得不在现场
机组功率曲线的各个环节上作假，以满意业主对提高机组效率的过
度偏好及需求。

这样，过度的提高机组效率和生胜利率曲线的质量，不仅不能使机组度电成本降低，相反，还会使机组寿命期内的度电
成本大大增加。

1、风能利用系数与提高机组效率
所谓功率曲线就是以风速(Vi)为横坐标，以有功功率Pi为纵坐标
的一系列规格化数据对(Vi，Pi)所描述的特性曲线。

在标准空气密
度（ρ=1.225kg/m3）的条件下，风电机组的输出功率与风速的关系
曲线称风电机组的标准功率曲线。

风能利用系数是指叶轮汲取的能量与整个叶轮平面上所流过风能
的比值，用Cp表示，是衡量风电机组从风中汲取的能量的百分率。

依据贝兹理论，风电机组最大风能利用系数为59.3%。

风能利用系
数大小与叶尖速比和桨叶节距角有关系。

翼型升力和阻力的比值称升阻比。

只有当升阻比和尖速比都趋近
于无穷大时，风能利用系数才能趋近于贝兹极限。

实际风电机组的
升阻比和尖速比都不会趋近于无穷大。

实际风电机组的风能利用系
数不行能超过相同升阻比和尖速比的抱负风电机组的风能利用系数。

采纳抱负的叶片结构，当升阻比低于100时，实际风电机组的风能
利用系数不行能超过0.538。

水平轴风电机组的气动设计主要目的是设计叶片几何形状（包括
叶片个数、弦长及扭角分布、截面翼型外形等），目的是获得最佳
风能利用系数和最大年发电量，同时降低叶片载荷。

而这三个目的
有时会发生冲突。

与抱负风电机组不同，除升阻比只能为有限值外，实际风电机组还要考虑两个现实问题:
一是要考虑有限叶片数造成的功率损失。

有限叶片数对风能利用
系数影响的计算过程比较简单，这里仅给出部分计算结果。

对于抱
负叶片外形，在升阻比为100时，尖速比只有在6～lO的范围内，
有限叶片风电机组的风能利用系数才有可能微微超过0.500，假如
升阻比下调到100以内的有用区，功率损失会更大。

其次个现实问题是，抱负叶片的外形非常简单，难以加工制造，
实际风电机组的叶片必定采纳简化结构。

另外在考虑叶片结构强度、振动、变形、离心刚化和气动阻尼作用，以及考虑机组成本、年输
出功率等问题时都会对叶片外形提出其他方面的要求，这又会进一
步降低风能利用系数。

有限叶片数造成的功率损失是无法避开的；叶片的易加工性、成本、强度、振动等诸多导致风能利用系数降低的实际问题也是必需
考虑的因素。

综合理论计算和对实际问题的分析，实际风电机组的
风能利用系数难以超过0.500。

为了计算简便，在实际Cp值折算时，常把机组发电功率视为叶轮
所汲取的风能。

由于以下几方面的缘由：机组转速只能在运行风速
内的部分风速段较精确地跟踪叶尖最佳速比；变桨、偏航、部件冷
却等机组有自耗电；因风的简单多变，实际机组不行能精确对风；
当叶轮汲取能量后，还必需通过机组诸多部件（如：齿轮箱、发电机、变频器等）进行能量转化，当经过这些部件时，必定有能量损失。

因此，在不同风速下，由实际发电功率计算出来的Cp值会更低，有不少风速段的Cp值远低于0.5。

国外有个别厂家为了提高实际机组效率，在叶片轮毂的流线外形、部件性能等多环节进行深化的讨论和大的投入，制造出了最高Cp值
超过0.5的“神机”，但是，因其设计和制造难度增大，势必使机
组的生产成本增加，投资回报时间延长。

目前，国内市场竞争激烈，用户不仅在机组招标时选择功率曲线
优秀的机型，而且，在机组投运后，不少业主还盼望通过调整机组
掌握策略，提高机组效率和优化功率曲线，然而，如不顾当前的技
术水平，忽视机组远期维护成本和故障几率，片面地强调机组效率，势必使机组长期度电成本增加，最终，必定是得不偿失。

就风电机组的掌握算法而言，目前尚未有集全部优点于一体的掌
握算法。

设计高性能的风电机组掌握策略需针对详细风能环境，兼
顾掌握成本和掌握目的，最大程度地量化掌握指标，实现多目标优
化设计。

在优化功率曲线时，应兼顾部件及机组寿命、故障几率以
及机组自耗电等，例如：在低风速段时，变桨系统处于休眠状态
（叶片固定在最大迎风面位置）的掌握方式改为小风调桨掌握方式，从原理上讲，这的确可使低风速段的叶轮Cp值增加，必定使轮毂部
件的工作时间大大增加，机组自耗电增加，部件寿命缩短，故障几
率增加。

所以，这种修改未必可取。

因此，在选择机型时，应考虑机组的综合性能。

例如：机组使用
便利，远期维护和修理成本低，绝大部分故障可通过远程进行检查
和诊断等；在优化功率曲线提高机组效率时，应综合考虑各种因素，避开对机组部件寿命和长期维护成本造成不良影响，获得更优的度
电成本。

2 、验证明测功率曲线、标准（理论）功率曲线和机组现场运行
形胜利率曲线
机组验证明测功率曲线、标准（理论）功率曲线和现场运行形成
的功率曲线，虽然三者都是反映风速与机组发电功率的关系曲线，
由于三者的形成条件和用途的不同，三者又有冲突的一面。

验证机组性能的实测功率曲线与理论功率曲线主要是用于反映机
组性能，其生成条件是尽力消退，少考虑或不考虑功率曲线的各种
影响因素。

验证明测功率曲线，在国际上普遍采纳IEC61400-12标准，其采
样周期为10分钟。

在实测时，对现场环境条件及测试设备有着严格
的要求，而现场运行机组一般很难达到。

在进行功率特性测试时，
还应收集足够数量且掩盖肯定风速范围和大气条件变化的数据。

其
费用高，时间长，会因湍流强度及其他各种影响因素造成偏差。

实
测功率曲线的值不是唯一的，由于，它与机组的现场运行功率曲线
一样都是通过散点分布图绘制而成。

机组的实测功率曲线很离散，
且范围较宽，还会因测量者、测试公司的不同而不同。

因此，利用
实测的机组发电功率与风速计算的风能利用系数，不仅可能超过
0.5，而且，超过贝兹极限也是可能的。

正由于如此，一般不采纳实
测功率曲线值作为标书上的标准功率曲线。

在设计评估或设计认证时，国内大部分整机制造商所供应的担保功率曲线是通过仿真计算
出来的理论功率曲线。

在风电场，机组运行生成的功率曲线主要用于机组修理和功率调整，要能反映出机组的自身性能、故障状况、环境和气候条件等。

现场需要通过考察机组运行形成的功率曲线来推断机组的叶片、风
速仪、风向标、功率掌握参数等是否存在问题，例如：对于刚调试
完的风电机组，需要通过对每台机组实际运行形胜利率曲线的考察
来进行功率调整，以在短时间内（经受一两次大风）就能把整个风
电场机组的实际发电功率精确调整到“额定功率”。

机组既不能报“功率过高”停机，也不能有功率过低的状况发生。

在风电场机组
调试的初期，风场通讯还没有建立，为了短时间内把机组调试到最
佳状态，这不仅需要形成较为完整的功率曲线，而且，功率曲线数
据还应生成、储存在掌握器中，以便通过特地的调试软件读取数据、生胜利率曲线。

因此，采样周期不能太长，一般应设为为30秒，或
1秒。

对机组调试和检查缺陷而言，如把采样周期设置为10分钟，
则很难具有有用价值。

在这方面，某些国际知名厂家的设计理念和
方法值得借鉴，如：Mita掌握器WP3100。

在生胜利率曲线数据时，不少国产掌握器的程序设计，考虑最多
的是机组出保，一般采纳10分钟采样周期，对调试和推断机组缺陷
少有考虑，或没有考虑。

在掌握器编程时，严格遵循IEC61400-12
标准，而现场条件及机组传感器等均不符合IEC61400-12标准要求，因此，生成的功率曲线难以良好地反映机组性能。

加之，近年来，
不少风电场限电问题严峻，把采样周期设定为10分钟，在通常状况下，在一年，甚至几年都难以形成正常、完整的功率曲线，这给现
场的机组调试和修理带来了极大的不便。

机组在现场运行生成的功率曲线受到外界多种因素的影响，利用
它来推断机组性能应有诸多的前提和限制条件。

也正由于如此，为
了较为精确地考查和验证机组的功率特性，IEC61400-12-1和
IEC61400-12-2标准对此作了详尽地规定。

因现场运行机组达不到
这些规定和条件，生成的功率曲线与合同（标准）功率曲线不全都，本属于正常现象。

或者说：功率曲线不与合同要求完全全都符合现
场机组运行的基本规律。

然而，由于各种缘由，不少业主对功率曲线有着“严格”的要求。

为了达标，厂家只有实行多种修正方式。

假如一个风电场（如：33
台机组）同一机型的每一台机组，不需要严格的限制条件就能在每
个时段、每个风速段上生成的功率曲线都符合合同商定，在合同要
求之上。

那么，其功率曲线可能是实行多种措施或手段进行了修正。

而这种“修正”往往既不利于良好地反映机组性能，又不利于机组
修理和调整。

有的甚至因对功率曲线的过度调整而危及部件寿命，
增加故障几率等。

提高机组的额定功率可以降低其满负荷风速，如
为了降低功率曲线上的满负荷风速，减小湍流强度对功率曲线的不
利影响，不顾及设备平安，过度地调高机组额定功率，势必增加变
频器、发电机等部件的故障几率。

正如其他物件的度量一样。

在度量时，首先应核实度量工具是否
合格；其次还需排解各种影响因素，而不是简洁地考察测量数值是
否满意要求。

因此，在考察风电机组的实际运行功率曲线时，首先
需保证功率曲线的生成程序、生成方式，相关传感器及参数设置的
正确，同时，还需排解各种内部和外界的干扰因素。

要让机组运行得到的功率曲线作为推断机组性能的重要参考依据，在考察期内应留意以下几方面的问题：机组状态及运行条件正常（如：没有限功率，风速仪的传递函数精确、牢靠，测量时间及其
连续性符合相关标准，机组掌握器、功率检测元件、风向标、风速仪、叶片零位和掌握参数等正常）；功率曲线的采样周期、数据采样、数据筛选、生成方式等科学、合理，并与现场机组的运行条件
相适应，而不是一味地、教条地执行IEC61400-12标准；实行多种
有效措施排解风况、地形等因素的干扰（如：把不同机位、不同风
电场的同一厂家同种机型批量机组的功率曲线进行分析和比较）；
在考察期内没有修改机组的功率掌握程序及功率参数等。

如把实测功率曲线、标准（理论）功率曲线和机组运行生胜利率
曲线，他们的形成条件和用途彼此混淆，势必造成思维混乱，失去
了功率曲线所应有的作用，同时，也会因此产生不必要的纠纷和冲突。

3 、结语：
我们应当理性对待风电机组的功率特性考核与效率问题，采纳合
理措施生胜利率曲线和推断机组性能，削减不必要的纠纷和争辩，
把主要精力集中于提高机组整体性能，降低机组的长期度电成本上。