研究影响风电机组实际运行功率曲线的相关因素分析

摘 要：近几年来，风力发电逐渐受到人们的认可与接受，但由于风力发电会因为各种外界条件受到影响，因此，需要相关人员深入分析风电机组运行功率曲线相关性因素，确保风电场可以正常的发电。该文主要分析了风电机组在运行过程中影响功率曲线的主要因素，例如：采样修正、环境条件、气象条件、统计方式、风电机组的排列与对风偏差等，详细阐述标准化功率曲线和实际运行的功率曲线之间存在偏差的主要原因，以防风电场的运营和质保交机过程中产生纠纷，进而提高风电场运营效率。

关键词：风电机组 运行功率 曲线 气象

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0088-03

目前风电机组使用的风能是处于自然的状态下，其中风电机组实际运行的功率曲线指风电机组运行过程中，通过后台软件与机组控制仪器所产生的曲线。但由于风电机组功率曲线会因为机组自身的特性、外界温度、叶片污染与气压等因素而受到影响，各风电机组周边环境都存在差异，因此，导致各风电机组会形成不同功率曲线，甚至于同一风电机组形成的功率曲线也存在差别。这就需要相关研究人员深入分析影响与形成风电机组实际运行的功率曲线的因素，了解风电机组实际运行功率特性的因素，尽可能使机组处于正常运行状态，进而加大风电机组出力。

1 标准的功率曲线

风电机组功率曲线主要指风电机组实际输出功率会随着风速的变化而发生变化，从而形成相关曲线。机组功率曲线可以反映出风电机组效率，而功率曲线好坏决定着风电机组经济性。其中，标准的功率曲线在标准工况下，按照风电机组的设计参数来计算风速和有功功率相关性曲线，风电机组标准功率的曲线对应环境的条件为：空气密度是1.23 kg/m3，温度是15℃、一个标准的大气压。风电场实际工况和标准功率的曲线给定环境条件间差异比较大，在某种程度上，会导致实际运行的功率曲线和标准功率的曲线间存在差异[1]。

2 功率曲线作用

风电机组运行功率曲线能够确定机组运行特点与功率特性，可有效评估机组发电效率与年实际发电量。风电机组中功率曲线属于风力发电中一个重要的认证内容，可以衡量机组风能转换的能力，能用来考核风电场的设备指标。风电机组整体参数的设计环节可通过功率曲线检验风轮的性能优劣，同时预测风电机组总体的性能。不仅如此，控制系统设计、发电机选择与传动系数效率都和功率曲线紧密相关，换句话说，风电机组运行的功率曲线是整个机组设计的前提，其能够确定机组运行的主要参数，例如：额定的风速、切入的风速与切出风速等[2]。

3 环境条件与气象对于风电机组中实际运行的功率曲线影响

3.1 雨滴影响

下雨时，叶片上雨滴会使气流围绕叶片流动的流动状态发生改变，导致翼型空气的特性产生变化。此外，当雨滴撞击到叶片时，雨滴会因为离心力的作用向外飞出，致使风电机组的运行功率变小，产生损失，其最大损失高达20%[3]。

3.2 污染影响

如果风电机组风轮叶片受到漏油、沙尘与昆虫等污染时，会使叶片表面粗糙度发生改变，导致翼型空气的动力特性产生变化，从而降低了功率的输出[4]。

3.3 海拔高度

随着海拔高度的增加，上层空气密度会降低，空气大气压就会随着变小。如果风电机组装设于高海拔的地区，因为高海拔地区空气密度比较低，风电机组输出的功率就会变小，使风电机组实际运行功率曲线收到影响，图1是Vestas600 kW变桨距的风电机组与定桨距的风电机组位于不同海拔出实际运行功率曲线。从定桨距的风电机组来看，海拔高度越高，风电机组运行功率曲线在同一风速条件下，发电功率会降低，超过满负荷下发电的风速，功率降低情况比较明显，从图1（a）中可以看出；同一风速下满负荷的发电功率会随着温度的上升而下降，如果满负荷的发电风速值变大，中高风速阶段就会受到影响；一旦超过满负荷的发电风速，机组会采取收桨方式实施恒功率的控制，同时不会影响到功率曲线形成，具体从图1（b）可以看出。

3.4 空气湿度与温度对于实际运行功率曲线的影响

当温度升高空气密度也会随之降低，使同一风速小的风电机组实际出力变小。由于空气中残留着水蒸气，使空气中存在一定湿度，而湿度会影响到空气的密度。通常潮湿空气与干燥空气相比，质量比较轻，因此，当空气中水蒸气上升，空气的密度就会变小，机组出力随之变小。如果风电机组装设于低温区域时，因为空气的密度比较大，风电机组输出功率就会随着变大；相反装设于高温区域时，风电机组实际输出功率就会变小。图2中反映出Vestas600 kW变桨距的风电机组和定桨距的风电机组于不同温度条件下输出功率曲线，其中定桨距的失速机组会随着温度增加，导致风电机组实际功率输出曲线在同一风速下发电功率减小，当大于或接近满负荷的发电风速，输出功率降低的情况比较明显，从图2（a）中可以看出。同一风速下满负荷的发电功率会随着温度的上升而下降，如果满负荷的发电风速值增大，中高风速阶段就会受到影响；一旦超过满负荷的发电风速，机组会采取收桨方式实施恒功率的控制，同时不会影响到功率曲线形成，具体从图2（b）可以看出。

3.5 尾流对于风电机组的功率曲线影响

一般情况下，风电机组会吸收风中能量，当风流经风电机组以后，风速会减小。位于在风电场下游的风电机组风速降低速度比上游的风电机组小，两风电机组间距离越小，前面风电机组会影响到后面的风电机组风速，该效应也叫作尾流的效应。尾流区风电机组因为来流速的损失，会导致机组实际输出功率变小，因此在布置风电机组的过程中，要充分考虑风电机组的输出功率受尾流影响的程度。串列式布置风电机组与斜列式布置的风电机组相比，容易受到尾流的影响，图3是通过AV尾流方式计算风电机组中风率输出系数的曲线。

从图3中可以看出，当x/D=等于4时，最大风轮的功率系数大约是不存在尾流影响时的45%；当x/D等于6时，最大风轮的功率系数大约是不存在尾流影响时的65%；当x/D等于8时，最大风轮的功率系数大约是不存在尾流影响时的75%；当x/D等于16时，最大风轮的功率系数大约是不存在尾流影响时的97%，基本是可以忽略尾流影响。图4是某风电场风电机组实施串列式布置以后，上游的风电机组会影响下游的风电机组运行，风速在8～9 m/s间，机组间隔距离是500 m。