影响风力发电机有功出力的因素

[摘 要]风力发电机作为一种绿色能源有着改善能源结构、经济环保可再生等方面的优势，也是未来能源电力发展的一个趋势。但风力发电机在工作时由于受到自然环境以及本身结构的影响，其输出功率会受到不同程度的影响。对于发电商来说均希望风力发电机在各项技术设计要求范围内在同等条件下能最大限度的输出功率，以最大程度的满足经济效益。所以在风电场运行的风力发电机机组其实际功率曲线越接近其设计理论曲线是发电商及风机商的共同期望。

其中风机的理论输出功率公式如下：

，kw

，kg/m3

，m2

，m/s

-风能利用系数，最大值为0.593，亦称贝兹极限

从上述公式可知影响风力发电机输出功率的因素主要有空气密度、叶轮扫风面积及风速，另外如叶片表面污染程度及传动链的阻尼等对风力发电机的有功输出功率亦有一定影响。而其中风速及空气密度属于自然性因素，人为性无法予以改变；而叶轮扫风面积可人为性的改变。故将从以上几个方面分析如何提高风机输出功率。

[关键词]风机、有功功率、风速、对风角、桨叶角度。

中图分类号：TE972 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0024-02

1 风速对风机输出功率的影响

由公式可知，风机输出功率与风速的三次方成正比，故而在风机的设计技术要求范围内风速越大风机输出功率将越大，而风速大小又受到其他诸多因素影响，如水平气压梯度（亦称大气压强）、地形、地面粗糙度及地形等。风的产生是由于不同的大气压强差致使空气流动产生风，海拔高度差越大那么大气压强差越大致使空气流动越快也就是说风速越大。风速随海拔高度变化的一般指数公式如下。

距离地面高度h处的风速，m/s

高度为ho处的风速，m/s

n-经验指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度，其值一般为1/2-1/8。

从上述公式可以看出随着海拔高度的升高与选取参照面不同，风速相对增大，另外风速亦受到地表粗糙度、周围地形及障碍物等因素影响。

因风速是自然性的形成，无法通过人为性改变。所以在风电场建设前，应通过科学的测量各项指标后确定是否满足建设要求，同时在微观选址时在满足主风向时还应充分考虑地形、地面粗糙度及障碍物等因素。

就如云南西南部某风电场来说，其中11#机组所处的位置为全场最高，其中1#机组所处位置比11#机组相对偏低300m左右，且11#机组周围地形相对比3#机组开阔很多即风速受地表及障碍物影响相对较小，而1#机组周围半径1公里左右开始均有不同程度的山头海拔高度高于其轮毂高度，其风速受地形及障碍物的影响较大。测量两台机组2014年全年的平均风速对比即可看出海拔高度、地形地表及障碍物等因素对风速的影响，该两台机组的平均风速偏差保持在70%左右（如图1所示）。

同是该风电场，而另外的18#机组与19#机组海拔高度一样，且两台机组周围地形及障碍物等基本一致即受地表影响基本一样，该两台机组2014年全年平均风速的差异明显比11#机组与1#机组的小很多，该两台机组的平均风速偏差保持在5%左右（如图2所示）。

另机组风速是由安装在机舱尾部的风速仪测得，所以风速仪的精度、安装质量及接线质量等直接影响所测风速的精度。选用高精度的风速仪、定期紧固风速仪及检查接线是否满足技术要求可有效排除其他非正常干扰，进而提高测风精度也就能有效的改善机组输出功率；另外在可能的情况下可定期检测风速仪的精度是否满足精度偏差要求。

2 空气密度对风机输出功率的影响

由公式可知，风机输出功率与空气密度成正比，即空气密度越大风机可输出功率亦越大。空气密度受大气压强、温度及湿度等因素影响，即为自然性的形成故无法进行人为性改变。

3 叶轮面积对风机输出功率的影响

3.1 机组输出功率与叶片长度的关系

由公式可知，风机输出功率与叶轮受力面积的大小成正比，而叶轮理论面积计算公式为：

A-叶片理论受力面积，m2

π-3.14

r-叶轮半径，通常采用叶片长度计算，m

综合可有风机输出功率

通过上述公式可看出机组输出功率与叶片长度的平方成正比，所以在技术设计范围内采用的叶片长度越长，机组的输出功率也就越大。对于风电场的叶片选择，可根据风电场的海拔及风况等因素选择适当的叶片。

3.2 机组对风角度对机组输出功率的影响

上述中机组的受力面积A为理论受力面积即在叶片长度选定情况下的最大受力面积。但在风电场实际运行中由于风向是在时刻变化的，进而导致叶轮的对风角度是时刻变化的，导致叶轮的实际受力面积As是变化的。当叶轮与风向存在一定夹角时叶轮实际受力面积As如下所示

AS-叶轮实际受力面积，单位：m2

A-叶轮理论受力面积，单位：m2

-叶轮对风角度，单位：°

由上可有当其他数值一定时，机组输出功率与对风角度存在如下余弦函数曲线关系。所以对风角度对机组输出功率的影响是很大的（如图3所示）。

对于对风角度的控制，风电场可进行人为性的修正，对此可从以下几方面着手。

3.2.1 采用高精度的风向仪及转换模块

在设计机组时选取高精度的风向仪及转换模块，以保证机组能及时正确的测量风向的变化并及时准确的转换为所需求的信号。另外在运行一定时间后风向仪的精度可能会有不同程度的降低，所以在可能的情况下应定期性的对风向仪进行精度测量以确保风向仪的精度在要求范围内。

3.2.2 优化控制程序

科学合理的控制程序能及时反映风向的变化并在控制范围内及时准确的予以响应使机组偏航对风及时保证机组输出功率的最大化。

3.2.3 风向仪的安装

受风电场实际状况的影响，安装完好的风向仪在运行一定时间后会有不同程度的松动进而不能准确反映风向的变化，所以风电场应定期检查风向仪的安装并加以紧固，并对风向仪进行对零调整。另须定期性的对风向仪信号线进行检查确保各接线正常，尤其是屏蔽层是否按照技术要求接线以排除非正常信号的干扰。

3.2.4 不同地形下的风向角对零角微调

针对地形相对较一致的风电场（如平原风电场），所有机组的风向角对零均是一致性的将风向仪的“S”极或“N”极正对轮毂后将风向仪一端正对轮毂保证三点一线，随后在程序内输入“180°”或“-180°”或则查看上述三点一线的偏差是否在要求范围内。而对于山区性风电场由于风向的变化受地形影响较大，风向变化相对较频繁。如云南西南部某风电场所处地形为山区，经过观察发现有三台机组的对风角度相对其他机组存在10°-25°的偏差，此种情况在进行该机组的风向角对零调节时可人为性的输入10°-25°对零角度偏差，随后进行调整前后的机组输出功率曲线对比分析，以确定调整前后功率曲线的变化程度。

3.3 桨叶对零角度对机组输出功率的影响

上述中机组的受力面积A为理论受力面积即在叶片长度选定且机组对风角度为零的情况下的最大受力受力面积。但在风电场实际运行中由于桨叶展开非理想的展开，而是与理论的对零点存在一定的偏差角θ进而导致叶轮的实际受力面积As比理想受力面积A小。当偏差角θ越大叶轮实际受力面积As将越小，其关系可近似的表示为如下，

AS-叶轮实际受力面积，单位：m2

θ-桨叶对零偏差角，单位：°

对于桨叶偏差角θ的控制，风电场亦可进行人为性的修正，对此可从以下几方面着手。

3.3.1 采用高精度的桨叶编码器及转换模块

在设计机组时选取高精度的桨叶编码器及转换模块，以保证机组能及时正确的测量桨叶对零角的值并及时准确的转换为所需求的信号。另外在运行一定时间后桨叶编码器的精度可能会有不同程度的降低，所以在可能的情况下应定期性的对桨叶编码器进行精度测量以确保桨叶编码器的精度在要求范围内。

3.3.2 桨叶编码器的安装及信号线接线检查

受实际状况的影响，编码器运行一定时间后可能会有一定程度松动以及编码器接线虚接等现象，进而导致不能正常反馈桨叶偏差角。所以应定期性的对编码器进行紧固，并检查其接线是否符合技术要求以排除其他因素影响；另外应定期性的进行人为手动变桨查看桨叶是否能正常对零，否则重新对桨叶对零。

3.3.3 优化控制程序

科学合理的控制程序能及时反映桨叶角的变化并在控制范围内及时准确的予以响应使机组变桨使叶片完全展开保证机组功率最大化输出。

综合以上可有如下风机实际输出功率的一般公式为

如云南西南部某风电场于2014年6月左右发现1#、3#、13#、17#及23#机组的功率曲线明显低于其他机组；经综合分析后，于2014年7月末左右对该五台机组的风向仪、风速仪及桨叶编码器进行重新紧固及对零调整。其中1#及13#机组调整后功率曲线增幅比较明显（调整前时间段为2014.1.1-2014.7.31，调整后的时间段为2014.8.1-2014.12.31）（如图4、5所示）。

4 叶片污染对机组输出功率的影响

在风电场实际运行一定时间后，由于叶片长时间在空气中旋转，空气中的各种污染物将会吸附在叶片表面形成一层薄的附着层，增大叶片表面的粗糙度及翼型粗糙度，进而影响气流的流动性而过早的形成涡流，势必会降低和损失功率输出。由于清洗叶片表面污染物是一项受气候因素影响较大且费时施工较难的工作，即使清洗后在较短时间内亦会在叶片表面形成污染物。所以清洗叶片的投入可能会得不偿失。

另外叶片表面的大面积脱漆及裂纹严重加大了叶片表面的粗糙度，严重影响叶片表面气流的流动性，更为严重会造成严重的事故。所以风电场应定期性的检查叶片表面脱漆状况及是否存在裂纹等缺陷。一旦发现应及时解决，以保证叶片表面气流的流动性及预防严重事故的发生。

5 传动链阻尼对机组输出功率的影响

任何机械传动均存在阻尼，存在阻尼必然会导致传动能量的损耗。叶轮吸收风能后需经过一定的传动机构而带动发电机发电，同理机组传动链必然存在不同程度的阻尼，所以叶轮吸收的动能经过传动链后必然会有一定程度的损耗，传递至发电机的动能必然下降，也就导致发电机的转速不能达到理想的状况也就直接影响机组功率的输出。提高传动链各部件的加工精度及装配精度，同时定期性的检查并加注合格的脂以减少传动链阻尼，也就能有效的降低传动链的阻尼而降低动能的损耗，使发电机的转速越趋近于理想状况，即能有效提高机组的功率输出。

6 结论

通过风电场机组的综合运行分析，影响风力发电机组输出功率的主要因素有风速、空气密度、叶片长度、机组对风角度及桨叶展开角度偏差等因素，而其中风速及空气密度完全取决于自然因素是人为无法改变的。而叶片长度、机组对风角度及桨叶展开角度偏差因素是可以通过人为性改变的，尤其是机组对风角度及桨叶展开角度偏差。在风电场实际运行过程中细致的观察分析和定期检查机组对风角度和桨叶展开角度偏差对提高机组的功率输出具有较大的帮助。所以无论是机组厂商还是业主方均应在风机运行中加强对机组的各项对比分析，找出机组运行中存在的缺陷，及时分析缺陷及时解决问题，从而有效的提高风力发电机的有功输出。