風(fēng)電機(jī)組功率特性和載荷測試場地標(biāo)定方法

焦渤，薛揚(yáng)，李慶，秦世耀

(中國電力科學(xué)研究院新能源所，北京100192)

風(fēng)電機(jī)組功率特性測試和載荷測試可以為發(fā)電商計(jì)算電量及風(fēng)機(jī)制造商的設(shè)計(jì)提供有力的服務(wù)，使風(fēng)電產(chǎn)業(yè)能夠進(jìn)一步健康發(fā)展[1]。

然而，由于我國幅員遼闊，地形情況多種多樣，與歐洲廣大的平坦地形有較大的差別，在開展功率特性測試和載荷測試中，經(jīng)常遇到測試場地的地形不符合IEC61400-12-1標(biāo)準(zhǔn)的情況，這極大地制約了這兩項(xiàng)測試工作的開展。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果場地不符合測試條件，則應(yīng)進(jìn)行場地標(biāo)定。本文詳細(xì)介紹了場地標(biāo)定的原理、方法并對某風(fēng)場的場地標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析，得到了最終的測試扇區(qū)。

1 場地標(biāo)定方法

由于地形會對功率特性及載荷測試的結(jié)果產(chǎn)生一定影響，因此，在進(jìn)行上述兩項(xiàng)測試之前，需要對測試場地進(jìn)行場地評估。

IEC 61400-12-1中規(guī)定：如果地形滿足表1的要求，則不需要進(jìn)行場地標(biāo)定。如果地形特征超出表1所示最大傾角限值之外50%范圍內(nèi)，應(yīng)用氣流模型計(jì)算決定是否進(jìn)行場地標(biāo)定。氣流模型需要通過典型測試場地進(jìn)行驗(yàn)證。若氣流模型顯示測量扇區(qū)內(nèi)當(dāng)風(fēng)速為10m/s時(shí)風(fēng)速計(jì)位置的風(fēng)速與風(fēng)電機(jī)組輪轂位置的風(fēng)速差異小于1%，則不需要進(jìn)行場地標(biāo)定。否則應(yīng)進(jìn)行場地標(biāo)定。評估區(qū)域圖解，俯視圖如圖1所示。

表1 測試場地要求：地形變化

注：L為風(fēng)電機(jī)組與測風(fēng)塔之間的距離，L應(yīng)在2~4倍風(fēng)輪直徑之間，推薦2.5倍風(fēng)輪直徑；*與扇區(qū)地形最吻合、并通過塔架基礎(chǔ)的平面的最大傾角；**連接塔架基礎(chǔ)和扇區(qū)內(nèi)的每個(gè)地形點(diǎn)的直線的最大傾角。

圖1 評估區(qū)域圖解，俯視圖

場地標(biāo)定可以量化并潛在地降低地形和障礙物對功率特性測試和載荷測試的影響。場地標(biāo)定完成后可以得到測試地形的氣流校正系數(shù)α。

場地標(biāo)定的具體做法是：在測試風(fēng)電機(jī)組安裝前或風(fēng)電機(jī)組移開后樹立2個(gè)測風(fēng)塔，一個(gè)位于參考位置處，這個(gè)測風(fēng)塔也可用于功率特性測試或載荷測試，另一個(gè)位于風(fēng)電機(jī)組位置處。測試至少需要2支風(fēng)速計(jì)，一個(gè)風(fēng)向標(biāo)和一個(gè)數(shù)據(jù)處理/記錄系統(tǒng)。實(shí)際測試過程中，風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)的數(shù)量也可適當(dāng)增加。測風(fēng)設(shè)備的安裝方式為：參考位置測風(fēng)塔上安裝一支風(fēng)速計(jì)和一個(gè)風(fēng)向標(biāo)，風(fēng)機(jī)位置測風(fēng)塔安裝一支風(fēng)速計(jì)。參考位置測風(fēng)塔的風(fēng)速計(jì)測得的10min風(fēng)速平均值為Vref,風(fēng)機(jī)位置測風(fēng)塔測得的10min風(fēng)速平均值為Vwt。由此得到的氣流校正系數(shù)α：

在場地標(biāo)定完成后，把風(fēng)機(jī)位置的測風(fēng)塔移走，根據(jù)氣流校正系數(shù)α及測風(fēng)塔位置的風(fēng)速Vref即可反推出風(fēng)機(jī)位置的風(fēng)速Vwt，該風(fēng)速就是功率特性測試和載荷測試中所需的風(fēng)速。

參考位置測風(fēng)塔上的風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)可以用于功率特性測試或載荷測試，但要在同一次校準(zhǔn)活動(dòng)中進(jìn)行校準(zhǔn)。參考位置測風(fēng)塔與風(fēng)機(jī)位置測風(fēng)塔高度應(yīng)在風(fēng)機(jī)輪轂高度的±2.5%范圍內(nèi)。

2 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與處理

2.1 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)定期觀察數(shù)據(jù)采集數(shù)量是否滿足要求。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)采用區(qū)間分析法，即數(shù)據(jù)按風(fēng)向分類，一般每10°為一個(gè)測量扇區(qū)，以10 min內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并把風(fēng)速按4~8 m/s和8~16 m/s2個(gè)風(fēng)速區(qū)間劃分。

附件是某風(fēng)場的場地標(biāo)定測風(fēng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過一段時(shí)間的測試，得到的標(biāo)定結(jié)果圖2~4。

圖2 氣流校正系數(shù)散點(diǎn)圖

圖3 由區(qū)間分析法得到的氣流校正系數(shù)

圖4 按風(fēng)向區(qū)間劃分的數(shù)據(jù)量

IEC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，根據(jù)4~16m/s風(fēng)速得到的氣流校正系數(shù)即可代表該風(fēng)向區(qū)間內(nèi)的地形特征。在之后的功率特性或載荷測試中，如果該風(fēng)向區(qū)間內(nèi)的風(fēng)速小于4m/s或者大于16 m/s，仍然乘以該風(fēng)向區(qū)間的氣流校正系數(shù)以得到風(fēng)機(jī)位置的真實(shí)風(fēng)速。此外還有幾點(diǎn)需要說明。

1）在IEC61400-12-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，4～8 m/s和8~16m/s2個(gè)風(fēng)速區(qū)間每個(gè)區(qū)間數(shù)據(jù)至少有36個(gè)(6 h)，且總的風(fēng)速區(qū)間4~16m/s內(nèi)，數(shù)據(jù)量至少達(dá)到144個(gè)(24 h)視為數(shù)據(jù)采集完畢。

2）扇區(qū)的起始角度可以不以0°開始，如-5°～5°，5°～15°……345°～355°也是可以的。

3）扇區(qū)范圍的開區(qū)間和閉區(qū)間可以互換，如（0°，10°]也可按[0°，10°）統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

2.2 數(shù)據(jù)的處理

在數(shù)據(jù)處理分析過程中，需要考慮測試風(fēng)電機(jī)組20倍風(fēng)輪直徑內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量、位置、風(fēng)輪直徑及其他障礙物的位置，高度等，根據(jù)IEC61400-12-1計(jì)算出測試風(fēng)電機(jī)組的可用扇區(qū)，再結(jié)合實(shí)際場地標(biāo)定時(shí)，每個(gè)可用扇區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)采集是否完畢，相鄰的兩個(gè)扇區(qū)氣流校正系數(shù)差別不大于0.02這2個(gè)條件，得到最終的可用于功率特性和載荷測試的可用扇區(qū)。

以該風(fēng)場為例，只考慮測試風(fēng)電機(jī)組與其他相鄰風(fēng)機(jī)的相對位置，其可用扇區(qū)為：0°～60°，但在40°～50°風(fēng)向區(qū)間內(nèi)4～16m/s的數(shù)據(jù)量小于144，50°~60°風(fēng)向區(qū)間內(nèi)4~16m/s的數(shù)據(jù)量小于144，4~8m/s的數(shù)量小于36，且氣流校正系數(shù)改變量0.022 8>0.02，故區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)予以剔出，最終測量扇區(qū)為：0°~40°。表2所示，為最終測量扇區(qū)內(nèi)的氣流校正系數(shù)。

表2 最終測量扇區(qū)內(nèi)的氣流校正系數(shù)

在接下來的功率特性和載荷測試中，只保留0°~40°扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，其他風(fēng)向的數(shù)據(jù)是無效數(shù)據(jù)，根據(jù)0°～40°內(nèi)參考位置測風(fēng)塔的風(fēng)速數(shù)據(jù)及已經(jīng)確定的氣流校正系數(shù)，即可得到可用于功率特性及載荷測試的風(fēng)速。

3 總結(jié)

場地標(biāo)定的目的是量化地形對于功率特性及載荷測試的影響，目前開展的并不廣泛，鑒于我國地形地貌十分復(fù)雜，且風(fēng)電場業(yè)主及制造商對兩項(xiàng)測試的迫切需求，在未來場地標(biāo)定必將會較大面積地開展，因此，如何進(jìn)一步提高場地標(biāo)定的準(zhǔn)確度、規(guī)范場地標(biāo)定的步驟是今后需要研究解決的問題。

[1] 薛揚(yáng)，秦世耀，李慶.重視開發(fā)風(fēng)電機(jī)組檢測技術(shù)[J].中國科技投資,2008(4):38-40.