风力发电机组控制策略优化分析

对于功率影响的主要因素有空气密度、 扫掠圆面积、 风 速、风能利用系数、发电机效率、机械传动效率六个因素。 扫掠圆面积、发电机效率 1 和机械传动效率 2 为固定值。 根据贝茨伦理，理想情况下风能利用系数 Cp 最大为 0.593， 实际风能利用系数 Cp 取值一般为 0.25—0.45， 认定为常数。 FD77D 型风机为上风向水平轴型风机，其风速计安装在机舱 尾部，测量的风速为来风在轮毂做功后的风速。理论功率曲 线是在标准空气密度条件下得到，海拔高度、空气湿度等因 素的改变都会使得空气密度变化。所以，该型风机实际运行 功率曲线和理论功率曲线会存在差异的原因主要为未对风 速计测量的风速进行补偿修正，以及未根据实际空气密度对 理论功率值进行修正。 3 功率曲线修正方法 3.1 空气密度修正 风电场内 4021 号测风塔对该地区 2007 年 9 月至 2008 年 9 月的气温、气压进行观测并统计。根据测风塔实测数据 3 该地年平均空气密度为 1.011kg / m 。 理论功率曲线使用的 标准状态空气密度比风机实际空气密度高出 12.3%，此数据 误差导致功率风速曲线图偏差，需对其进行修正。 3.2 理论功率值修正 根据公式 2-1，在扫掠圆面积和风速相同条件下，风能 功 率 与 空 气 密 度 成 正 比 ， 利 用 公 式 3-1 及 该 型 风 机 在 1.225kg / m3 风速与功率对应数据， 对风电场实际空气密度
3 1 1 Av ' A2 v2 3 E 2 2
（3-2）
p
1 Av 3Cp1 2 （2-1） 2
由于风速计离风轮较近，认为扫风面积没有较大变化， 所以假设 A A2 ；FD77D 型风机风轮直径 D 为 77 米，风电场 3 实际空气密度为 1.011kg / m ，将这些参数带入公式，得 到的风速补偿公式： 2E 3 3 2E 3 3 v' 3 v2 v2 3 v2 0.425E A 1.011 4.654265 （3-3） 4 Matlab 建模仿真修正 使用上述功率曲线修正方法该型 01 号风机 2014 年 11 月至 2015 年 1 月的理论与实际功率曲线进行模拟修正。利 用 matlab 软件仿真建模，建立 01 号风机的理论功率曲线与 实际功率曲线模型。将东汽系统统计的 01 号风机 3 个月功 率、风速数据及标准空气密度下的理论功率曲线数据导入 matlab 系统，得到修正前的功率曲线。将使用公式 3-1 修正 过的密度与功率数据和公式 3-3 修正后风速数据导入 matlab 软件， 得到修正后的功率曲线。 通过对比发现修正效果较好， 实际功率曲线大部分风速下都能很好的跟踪理论功率曲线， 符合风电场的运行工况。 5 结论 通过对功率曲线模拟修正效果进行分析， 导致实际运行 功率曲线与理论功率曲线偏差较大的原因为风速计测量值 与实际值偏差较大，未对风速计测量风速进行补偿修正；东 汽控制系统使用的是标准空气密度下的理论功率曲线，西桥 3 梁风电场实际年平均空气密度为 1.011kg / m ， 未对空气 密度进行修正；理论功率曲线中使用的是标准空气密度下不 同风速点对应的理论功率值。未根据实际空气密度对不同风 速点对应的理论功率值进行修正。 参考文献 [1]李晓文.风力发电机组控制策略优化分析[J].内蒙古电 力技术，2013（31） ：22.
水电工程
工程技术
2015 年 8 月
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水电工程 风力发电机组控制策略优化分析
刘宏亮 河北大唐国际新能源有限公司，河北 承德 067000
摘要：风力发电机组的功率特性曲线是衡量风机性能的重要指标。本文讨论影响风力发电机组功率曲线的因素，分析功率曲 线的修正方法，并对 FD77D 型风机的实际运行功率曲线和理论功率曲线进行修正，以提高风机发电量及其机组使用寿命。 关键词：风电机组；功率曲线；风速；空气密度 中图分类号： TM315 文献标识码： A 文章编号：1671-5586（2015）46-0131-01 引言 功率曲线是风电机组输出功率随风速变化的关系曲线， 是衡量风电机组发电能力的重要指标。风机厂商一般提供机 组标准空气密度下的理论功率曲线。风机在风电场运行中， 实际运行功率曲线和理论功率曲线存在差异。如风机运行实 际功率曲线高于理论功率曲线，机组长期处于疲劳状态，影 响其使用寿命；如果风机实际功率曲线低于理论功率曲线， 将导致机组发电量下降，降低风电场运营效益。因此，在机 组投运后，需要对功率曲线进行正确的计算、测试和修正。 1 东汽 FD77D 型风机功率曲线现状分析 大唐西桥梁风电场一期装机容量 49.5MW，安装 33 台 FD77D-1500 型 风 机 ， 使 用 该 型 风 机 在 标 准 空 气 密 度 1.225kg / m3 下的理论功率曲线。 对该型风机自 2012 年 1 月至 2015 年 7 月的数据发现，实际运行功率曲线与理论功 率曲线存在较大差异。空气密度 1.225kg / m3 理论曲线， 其余为 33 台风机实际运行的功率曲线。风速 9.5m/s 之前， 风机实际功率曲线大于理论功率曲线；风速 9.5m/s 之后， 风机实际功率曲线围绕理论功率曲线波动，需根据实际情况 对功率曲线进行正确的计算、测试和修正。 2 影响功率曲线的因素分析 风力发电机组的风能功率公式表示为：
o 1.011kg / m3 对应的功率值
P PO O
po 进行修正。
（3-1） 为风轮扫风面积， A 1 为风轮前扫风面积， A2
3.3 ຫໍສະໝຸດ Baidu量风速修正 假设
A
为风轮后扫风面积， v ' 、 v1 、 v2 分别为三个位置对应的 风速。 当气流从风轮处 A 流动到风向标处 A2 时， 风推动风 轮做功，风的一部分动能转化为风轮转动的机械能，所以风 速计测得风速 v2 必然低风轮处风速 v ' ，导致测量偏差。风 轮获得的机械能为 E ，此处空气密度为 ，根据能量守恒 定理：