雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線偏差影響因素分析*

文 | 宮玉鵬，蘇麗營(yíng)，趙海春，吳讓慧，李磊，李超峰

雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線偏差影響因素分析*

文 | 宮玉鵬，蘇麗營(yíng)，趙海春，吳讓慧，李磊，李超峰

風(fēng)力發(fā)電因其具有系統(tǒng)安全性好、可靠性強(qiáng)、效率高及環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，逐漸成為許多國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分和研究焦點(diǎn)。2011年中國(guó)(除港、澳、臺(tái)地區(qū)外)全年新增風(fēng)電裝機(jī)容量17.63GW，中國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)在歷經(jīng)多年的快速增長(zhǎng)后正步入穩(wěn)健發(fā)展期。全國(guó)累計(jì)裝機(jī)容量62.36GW，繼續(xù)保持全球風(fēng)電裝機(jī)容量第一的地位。隨著風(fēng)力發(fā)電在中國(guó)的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試的分析和研究工作也在逐步開(kāi)展，相繼修訂了一些行業(yè)規(guī)范和國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。由于風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)研究工作處于起步階段，而且設(shè)計(jì)研究和性能測(cè)試處于分離狀態(tài)，所以導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)對(duì)減小標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)功率曲線誤差的研究工作進(jìn)展緩慢。影響風(fēng)電機(jī)組的實(shí)測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)功率曲線偏差的原因很多，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的分析與研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組環(huán)境和風(fēng)電機(jī)組控制策略對(duì)功率曲線偏差有影響，以下將對(duì)這些影響因素進(jìn)行深入地研究和分析。

標(biāo)準(zhǔn)功率曲線與實(shí)測(cè)功率曲線

標(biāo)準(zhǔn)功率曲線是在標(biāo)準(zhǔn)工況下，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算給出的風(fēng)速與有功功率的關(guān)系曲線。標(biāo)準(zhǔn)功率曲線所對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件是：溫度為15℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1013.3hPa)，空氣密度為1.225kg/m3。標(biāo)準(zhǔn)功率曲線只是通過(guò)靜態(tài)的模擬計(jì)算獲得，未考慮其他可能影響到風(fēng)電機(jī)組功率曲線的因素。

實(shí)測(cè)功率曲線是按照IEC 61400－12標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)采集風(fēng)電機(jī)組的電壓、電流及測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速、氣壓、溫度等信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算方式，按照標(biāo)準(zhǔn)要求的空氣密度1.225 kg/m3推算出的功率曲線。

環(huán)境對(duì)功率曲線偏差的影響

根據(jù)貝茲理論，風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)能中吸收的功率p為∶

p －風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率； ρ－空氣密度；A－風(fēng)電機(jī)組葉輪掃掠面積； V－風(fēng)速； Cp－風(fēng)電機(jī)組的功率系數(shù)； α－槳距角；λ－葉尖速比（ωmR/V , ωm為葉輪轉(zhuǎn)速，R為葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑）。

根據(jù)IEC 61400－12標(biāo)準(zhǔn)，空氣密度的計(jì)算方式為：

B10min－大氣壓力10min平均值； R0－干燥的氣體常數(shù)287.05J/(kg*k)； T－絕對(duì)溫度10min平均值

針對(duì)有功功率控制的風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)速的規(guī)格化使用如下公式進(jìn)行：

Vn－規(guī)格化的風(fēng)速； V10min－測(cè)量風(fēng)速10min平均值；ρ10min－測(cè)量空氣密度10min平均值；ρ0－標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（1.225Kg/m3）

根據(jù)公式（1），（2），（3）可以得到如下功率計(jì)算公式：

根據(jù)公式(4)所示，隨著海拔高度的增加，氣壓在逐漸降低，風(fēng)電機(jī)組的額定發(fā)電功率逐漸下降；隨著溫度的下降，風(fēng)電機(jī)組的額定發(fā)電功率逐漸上升。圖1為相同型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組不同海拔高度的功率曲線，兩條實(shí)測(cè)功率曲線要明顯低于標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，海拔越高實(shí)測(cè)功率曲線下降的越厲害；圖2為東北地區(qū)同一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，由于冬季和夏季溫度差異的原因，冬季的功率曲線要比夏季的功率曲線好很多，而且更容易接近標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。

風(fēng)電機(jī)組控制方式對(duì)功率曲線偏差的影響

風(fēng)電機(jī)組的功率控制方式對(duì)風(fēng)電機(jī)組的功率曲線有著至關(guān)重要的影響，不但可以減小對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔架的影響，而且可以適當(dāng)減小其他部件的疲勞載荷，并且會(huì)大大提升風(fēng)電機(jī)組的功率曲線和功率系數(shù)。

圖1 海拔高度對(duì)功率曲線的影響

圖2 溫度對(duì)功率曲線的影響

根據(jù)雙饋電機(jī)模型，定子取發(fā)電機(jī)模式，轉(zhuǎn)子取電動(dòng)機(jī)模式，公式如下：－定子坐標(biāo)系定子電壓；Rs－定子坐標(biāo)系定子電阻；－定子坐標(biāo)系定子電流－定子坐標(biāo)系定子磁通；－轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子電壓；Rr－轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子電阻；－轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子電流；－轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子磁通。

由于定子與轉(zhuǎn)子均在不同的坐標(biāo)系下，所以要將公式（5）換算到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下：

US－定子電壓；RS－定子電阻；iS－定子電流；φS－定子磁通；ω1－定子旋轉(zhuǎn)電角速度；Ur－定子電壓；Rr－轉(zhuǎn)子電阻；ir－轉(zhuǎn)子電流；φr－轉(zhuǎn)子磁通；ωr－轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度。

根據(jù)d－p坐標(biāo)變換，將定子電壓定在d軸，當(dāng)定子連接電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：

Te－發(fā)電機(jī)的電磁扭矩；np－發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；Lm－發(fā)電機(jī)互感；Ls－發(fā)電機(jī)定子電感；im－發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流；idr－發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子d軸電流。

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩平衡公式：

J為風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

風(fēng)電機(jī)組的電磁扭矩Te的大小是由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子d軸電流所決定的，而轉(zhuǎn)子d軸電流是由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差Δωr經(jīng)過(guò)PID計(jì)算得到的。根據(jù)公式（9）可以看出，所有的項(xiàng)都是ωr的函數(shù)，說(shuō)明ωr測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響到風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩控制。由于自然界的風(fēng)速是不停變化的，所以導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速也隨著不停變化，這就給ωr的準(zhǔn)確測(cè)量帶來(lái)很大的誤差，也就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生電磁扭矩的誤差ΔTe。同時(shí)，由于風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速變化速度無(wú)法跟隨風(fēng)速的變化速度，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組葉輪無(wú)法吸收到最大風(fēng)能，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生輸入扭矩的誤差ΔT。所以由公式（9）可得，

圖3是一組在不同風(fēng)速( v1 ＞ v2 ＞ v3 )下風(fēng)電機(jī)組的輸出功率特性，popt曲線是各風(fēng)速下最大輸出功率點(diǎn)的連線，即最佳功率曲線。

可以看出，由于機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩的誤差ΔT’的存在，追蹤的“最優(yōu)曲線”比理想的最佳曲線上下平移了ΔT’·ωr的偏差，如圖4所示。ΔT’·ωr＞0，機(jī)組跟蹤的是圖中的popt1曲線；ΔT’·ωr＜0，跟蹤的是popt2曲線。由于ΔT’·ωr存在，popt1或popt2都比較接近理想最佳曲線，但都不是最優(yōu)功率曲線，獲得的最大風(fēng)能追蹤控制效果與標(biāo)準(zhǔn)最佳功率曲線有一定偏差。

標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)測(cè)的發(fā)電機(jī)電磁扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖5所示，可以看出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)有較大偏差。由于控制器設(shè)計(jì)原因，無(wú)法保證風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際發(fā)電過(guò)程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)最優(yōu)值運(yùn)行，必然將會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)功率曲線與實(shí)測(cè)功率曲線的偏差。

圖3 風(fēng)電機(jī)組的最佳功率特性

圖4 最大風(fēng)能追蹤誤差

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系

通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，逐步降低ΔT’的絕對(duì)值，達(dá)到優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組功率曲線的目的。如圖5所示，東北某風(fēng)電場(chǎng)對(duì)1.5MW風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化后，可以看出風(fēng)電機(jī)組在小功率運(yùn)行時(shí)優(yōu)化效果比較明顯，基本接近標(biāo)準(zhǔn)功率曲線；當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在額定功率時(shí)，優(yōu)化測(cè)試曲線與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線還是有較大偏差。轉(zhuǎn)矩偏差對(duì)功率曲線的影響見(jiàn)圖6。

結(jié)論

圖6 轉(zhuǎn)矩偏差對(duì)功率曲線的影響

由于風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際測(cè)試功率曲線受到風(fēng)電機(jī)組環(huán)境和控制策略的影響，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組實(shí)際測(cè)試的功率曲線與標(biāo)準(zhǔn)功率曲線存在著很大的偏差。通過(guò)對(duì)兩個(gè)主要影響偏差的因素進(jìn)行分析后可知，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可以采取相應(yīng)的手段，來(lái)減小偏差的存在。希望可以提供一些理解風(fēng)電機(jī)組功率曲線偏差的思路，為以后改善實(shí)測(cè)功率曲線起到應(yīng)有的作用，并為完善相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)評(píng)估體系提供一定指導(dǎo)。在后續(xù)研究工作中，在不斷減小功率曲線偏差的情況下，應(yīng)利用仿真或者測(cè)試來(lái)評(píng)估減小偏差是否會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組其它部件造成很大的影響，并且針對(duì)功率曲線的偏差，應(yīng)該更深入的從空氣動(dòng)力學(xué)、葉片翼型、變槳控制策略和功率控制策略等多個(gè)方面進(jìn)行考慮。

(作者單位：華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司)

國(guó)家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目（NY20110401-1）