功率曲线的修正

风力发电机组功率曲线的修正

蔡纯，张秋生

（汕头华能南澳风力发电有限公司，广东汕头515041）

摘　要：风力发电机组功率曲线是考核机组性能的一项重要指标，但在实际操作过程中，由于现场自然风风速、风向变化的不确定性，给准确测取风力发电机组功率曲线带来困难。因此，借助空气动力学理论，提出一种简便求取风力发电机功率曲线的方法：利用机组计算机自身绘制的功率曲线，通过理论计算，对功率曲线进行风速和空气密度的修正，以提高功率曲线的精确度和可比性。
关键词：风力发电机组；性能；功率曲线；风速；空气密度


当前全国风力发电事业蓬勃发展［1］，众多实力雄厚的大公司正在投资或准备投资建设大型风力发电场。面对国际风力发电市场纷乱复杂的风力发电机产品，纵观历史经验教训，在引进设备的过程中，要特别注意机组的性能，对机组功率曲线的考核，应着眼于可操作性和精确性。
所谓风机的功率曲线，就是风力发电机组输出功率随风速变化的关系曲线。对于风力发电机组安装现场来说，自然风风速和风向的不确定性，特别是海岛山区地带，山形变化急剧且无规律，风况极为复杂。国际能源署（IEA）规定，测风仪应装于风力发电机前，距离为2～8倍风轮直径，高度与轮毂相同。如果按此规定建立测风塔，由于紊流、湍流和风向迂回的综合作用，以及测量点和风机之间出现平均值时间误差，极可能导致测风塔得到的风数据与风轮所接受的真正来风不一致，测量绘制的功率曲线严重失真。所以，以常规办法较准确地现场测绘功率曲线，并以此考核机组性能是极为困难的。如何利用风力发电机自身测绘的功率曲线进行修正，并作为评价机组性能的依据，则正是本文要探讨的中心内容。
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，风力发电机在运行过程中，其计算机根据这个风速计及其相对应的输出功率的动态采样，自动绘制生成该机组的功率曲线。但是，风力发电机上安装的风速计测得的风速是来风在风轮上做功后气流流速降低的风速，所以用尾流风速绘制的功率曲线存在较大偏差。风通过风轮后风速降低是因为来风损失了动能而风轮获得了机械能，根据能量守恒定律，通过风轮后的气流
2　功率曲线的修正方法
2．1　风速修正
由于风能与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。如果不加修正就用风力发电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情

况好得多。现举例说明。
某台额定输出功率Pr＝750 k W，额定风速vr＝15 m／s的水平轴定浆距风力发电机，其风轮前后风速的变化和瞬时能量转换用流线图（见图1）表示。根据贝茨（Bets）理论，各参数存在下列关系：

式中：CP———功率系数，反映风力发电机从风能中获得的有用能量之比例；　
P———实测功率；
P0———换算到标准条件下的功率。
该风力发电机的功率系数CP随风速变化的关系如图2（a）所示，由图2（a）和式（1）、式（2）可计算出每一来风风速v1所对应的v2和v′值，并绘制它们的关系曲线（如图2（b）所示）。



这种风力发电机的风速计装在机舱上，距离风轮后面约5 m，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v m，既不是后远方的风速，也不是风轮处的风速，其值必定在v′值与v2值之间。
利用v1和v m的对应关系，很容易从风力发电机的计算机自身绘制的功率曲线上，求得修正后的实际功率曲线（见图3）。





2．2　空气密度修正
风力发电机的输出功率与空气密度成正比，在现场进行功率测量和计算时，必须安装大气压力和温度传感器，对大气压力和温度的10 min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为在标准条件下的功率曲线。在标准条件下，空气密度ρ0＝1．225 kg／m3，温度T0＝288．15 K，压力ρ0＝101．33 kPa。
测量点的空气密度ρ和换算到标准条件下的功率P0按以下公式计算：

式中：T———现场测得的大气温度；
p———现场轮毂高度处测得的大气压力。
经过第二次修正得到的功率曲线，其精确度和可比性得到进一步提高。
3　结束语
制定风力发电机组功率曲线的测绘方法，应因地制宜，根据不同的风电场选择具体的方法。对地形复杂，风况多变的海岛风电场，笔者建议：选择合理的机位，对机组计算机自身绘制的功率曲线，通过理论计算进行修正，并将其应用在风力发电机现场性能考核上，即用该曲线与合同规定的标准功率曲线进行对比，合理评价机组的实际性能。

参考文献：
［1］林志远．风力发电商业化问题〔J〕．广东电力，1999，12