风力发电机组功率曲线考核初探

风力发电机组功率曲线考核初探

汕头华能南澳风力发电有限公司张秋生

摘要：当前全国风电事业蓬勃发展，众多实力雄厚

的大公司正在投资或正准备投资大型风电场。面对

国际风电市场纷乱复杂的风机产品，在引进的过程

中应特别注意机组性能考核办法的谈判。本文就风

力发电机组安装现场进行性能考核的一些问题作了

粗略探讨，以期抛砖引玉，在国内风电界尽快形成

系统的、切实可行的考核办法。

象大多数电厂一样，发电机组效率曲线的考核是整个电厂考核验收的重点。在考核过程中，火力发电机组较容易控制一个特定功率点所对应的工况条件，对那些有如大气压力、温度、湿度、燃料热值之类的参数也可以简便地从非标准状态折算成标准状态。总的来说，火力发电机组的效率曲线考核较为简单明了。

同样，对风力发电机组的功率曲线的考核也应引起足够的重视，它是衡量整台机组经济技术水平的最佳尺度。所谓功率曲线，就是一条风力发电机组输出功率随风速变化的关系曲线。然而，要在风机安装现场较准确地考核机组的功率曲线却不是那么容易。而对任何一个投资商来说，

这恰恰是他们最为关心的一件事，也就是说，他们投资购买的设备的性能指标是否达到他们的期望值。下面就影响风力发电机功率曲线测绘的一些因素谈几点粗浅看法：

1、风力发电机自身测绘的功率曲线的偏差

一般上风向的水平轴风力发电机的机舱尾部都装有风速计，风机在运行过程中，其计算机根据这个风速计测得的十分钟平均风速和相对应的十分钟平均有功功率自动绘制生成该机组的功率曲线。

众所周知，功率曲线的确切含义是表征风机风轮前远方的来风风速V1与发电机输出的有功功率的关系。而风力机上安装的风速计测得的风速却是来风V1在风轮上做功后气流流速降低的风速。风通过风轮后风速减弱的机理实质是来风损失了动能而风轮获得了机械能，根据能量守恒定律，来风V1通过风轮后的气流流速肯定降低。所以用尾流绘制的功率曲线一定存在较大偏差。

要知道这个偏差值有多大，首先要弄清楚风轮前远方风速V1同风轮后远方风速V2以及气流通过风轮时的风速V´之间的关系。值得注意的是，由于风能同风速的三次方成正比，所以风速的微小偏差会造成功率的很大偏差。在此如果不加修正就用风机上风速计测得的风速进行功率分析，那么得到的功率曲线一定比实际上好得多。下面举一个例子进行说明：

某一台额定参数为Pn＝750kw，Vn＝15m/s的水平轴定浆距风力发电机。其风轮前后风速的变化及瞬时能量转换由流线图（图一）表示，F为风轮扫风面积。根据贝兹（Bets）推论，各参数存在下列关系：

（1-ξ2）(1+ξ) (1)

V´＝（V1＋V2）(2)

ξ＝

其中Cp为功率系数，反映风机从风能中获得能量之比值。

该风机的功率系数Cp随风速变化的关系如（图二）所示，由此曲线及式（1）、（2）可计算出每一来风风速

V1所对应的V2及V´值，并绘制它们的关系曲线（图三）

由于这种风机的风速计装在机舱上，距离风轮后面约5米，而V´和V2分别表示风轮处及风轮后远方的气流速度。从流线图（一）可以清楚地看到，因低速气流中的空气可认为是不可压缩的物质，根据质量守恒定律，在能量

转换过程中，进出气流量应该相等，气流经风轮后通流面积增大，速度逐渐减小。因此，风速计上测得的风速Vm，既不是后远方的风速，也不是风轮处的风速，它必定在V´与V2之间。

到此为止，利用V1同Vm的对应关系，很容易从风机计算机上绘制的功率曲线①，求得修正后的实际功率曲线②，如图（四）所示。实际功率曲线②相对于计算机上的功率曲线①在V＝10m/s附近，偏差最大。在风力发电机组功率曲线考核验收过程中，应使用修正后的功率曲线②与合同规定的标准功率曲线进行对比。

图四

2、现场影响功率输出的其它因素

⑴空气密度

风力发电机的输出功率同空气的密度成正比，在现场

进行功率测量计算时，必须安装大气压力和温度传感器，并将其十分钟平均值作连续记录。每个功率平均值均可根据与大气压力、大气温度相关的空气密度状况来修正，也就是说，为了比较，要把所得到的功率曲线换算到标准条件下，即：

空气密度ρ0＝1.225kg/m3

温度t0＝15℃(T0＝288.15K)

压力B0＝101.33KPa

测量点的空气密度按下面的方式进行计算：

ρ＝ρ0

t：现场测到的大气温度值

B：现场轮毂高度处测得的大气压力

⑵风湍流的影响

在地形较为复杂，地面粗糙较大的山区，接近地表高度的湍流较严重。用来记录风速、风向及压力、温度的自动记录仪，一定要具备阵风记录的功能，以便在建立测量点周围风流模型的基础上，正确估计和修正湍流强度对功率输出的影响。在条件较差的情况下，可利用绑彩带的气球上彩带的飘动情况粗略估测紊流的存在与否和强度的大小，如图(五)示。在现场测绘功率曲线时，应尽量避开湍流的影响，即尽可能选择湍流强度低的机位，以求得到较为准确的测绘结果。

⑶测风仪的安装位置

测风仪与风力发电机的水平距离，国际能源署（IEA）推荐的意见是，置于风力发电机前面且距离等于二到八倍风轮直径。这里主要考虑了二个因素，一是不要让风力机在风轮前面因它自身形成了气流而干扰风速计。另一方面也要避免在测量点和风力发电机之间出现平均值时间误差。在实际操作中，还要充分考虑地形情况，如山区地带山形变化急剧且无规律的情况下，风况较为复杂，建议此距离选择在二至四倍风轮直径之间较为合适。

风速计必须安装在轮毂高度上，以尽可能地获取有代表性的风数据。这样既可消除风速随高度变化产生的误差，也可以减少因安装过低紊流含量过大的影响。测风塔尽量采用圆柱型杆式结构，仪器同测风杆保持1.2米以上的水平距离.桁架式测风塔对风的遮档较严重，如果可能的话，最好采用超声波测风设备，以获得更精确的测风数据。