提高風(fēng)電機組效率、降低度電成本是業(yè)內人士的共同愿望，但過(guò)度強調機組效率，而忽視機組遠期故障幾率、部件損壞及長(cháng)期度電成本，必然會(huì )顧此失彼，得到與初衷相反的效果。因業(yè)主對功率曲線(xiàn)的“嚴格”要求，國內不少本該出保的風(fēng)電場(chǎng)，因功率曲線(xiàn)問(wèn)題的分歧和爭議，遲遲未能出保，該付的款項沒(méi)有得到應有的支付。為了出保，廠(chǎng)家不得不在生成功率曲線(xiàn)的各個(gè)環(huán)節上作文章。為了在激烈的市場(chǎng)競爭中取勝，有的廠(chǎng)家對標準功率曲線(xiàn)甚至進(jìn)行了大膽的修飾，良莠不齊的功率曲線(xiàn)論證公司也應運而生。因此，不少功率曲線(xiàn)的真實(shí)性及論證的合理性值得懷疑。

風(fēng)能利用技術(shù)與提高機組效率

所謂功率曲線(xiàn)就是以風(fēng)速(Vi)為橫坐標，以有功功率Pi為縱坐標的一系列規格化數據對(Vi，Pi)所描述的特性曲線(xiàn)。在標準空氣密度(ρ=1.225kg/m?)的條件下，風(fēng)電機組的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)風(fēng)電機組的標準功率曲線(xiàn)。

風(fēng)能利用系數是指葉輪吸收的能量與整個(gè)葉輪平面上所流過(guò)風(fēng)能的比值，用Cp表示，是衡量風(fēng)電機組從風(fēng)中吸收的能量的百分率。根據貝茲理論，風(fēng)電機組最大風(fēng)能利用系數為0.593，風(fēng)能利用系數大小與葉尖速比和槳葉節距角有關(guān)系。

翼型升力和阻力的比值稱(chēng)升阻比。只有當升阻比和尖速比都趨近于無(wú)窮大時(shí)，風(fēng)能利用系數才能趨近于貝茲極限。實(shí)際風(fēng)電機組的升阻比和尖速比都不會(huì )趨近于無(wú)窮大。實(shí)際風(fēng)電機組的風(fēng)能利用系數不可能超過(guò)相同升阻比和尖速比的理想風(fēng)電機組的風(fēng)能利用系數。采用理想的葉片結構，當升阻比低于100時(shí)，實(shí)際風(fēng)電機組的風(fēng)能利用系數不可能超過(guò)0.538。

水平軸風(fēng)電機組的氣動(dòng)設計主要是設計葉片幾何外形(包括葉片個(gè)數、弦長(cháng)及扭角分布、截面翼型形狀等)，目的是獲得最佳風(fēng)能利用系數和最大年發(fā)電量，同時(shí)降低葉片載荷。而這三個(gè)目的有時(shí)會(huì )發(fā)生矛盾。與理想風(fēng)電機組不同，除升阻比只能為有限值外，實(shí)際風(fēng)電機組還要考慮兩個(gè)現實(shí)問(wèn)題：

1、考慮有限葉片數造成的功率損失。有限葉片數對風(fēng)能利用系數影響的計算過(guò)程比較復雜，這里僅給出部分計算結果。對于理想葉片形狀，在升阻比為100時(shí)，尖速比只有在6-10的范圍內，有限葉片風(fēng)電機組的風(fēng)能利用系數才有可能微微超過(guò)0.500，如果升阻比下調到100以?xún)鹊膶?shí)用區，功率損失會(huì )更大。

2、理想葉片的形狀十分復雜，難以加工制造，實(shí)際風(fēng)電機組的葉片必然采用簡(jiǎn)化結構。另外在考慮葉片結構強度、振動(dòng)、變形、離心剛化和氣動(dòng)阻尼作用，以及考慮機組成本、年輸出功率等問(wèn)題時(shí)都會(huì )對葉片形狀提出其他方面的要求，這又會(huì )進(jìn)一步降低風(fēng)能利用系數。

有限葉片數造成的功率損失是無(wú)法避免的，葉片的易加工性、成本、強度、振動(dòng)等諸多導致風(fēng)能利用系數降低的實(shí)際問(wèn)題也是必須考慮的因素。綜合理論計算和對實(shí)際問(wèn)題的分析，實(shí)際風(fēng)電機組的風(fēng)能利用系數難以超過(guò)0.500。

為了計算簡(jiǎn)便，在實(shí)際Cp值折算時(shí)，常把機組發(fā)電功率視為葉輪所吸收的風(fēng)能。由于以下幾方面的原因：機組轉速只能在運行風(fēng)速內的部分風(fēng)速段較準確地跟蹤葉尖最佳速比;變槳、偏航、部件冷卻等機組有自耗電;因風(fēng)能資源的復雜多變，實(shí)際機組不可能準確對風(fēng);當葉輪吸收能量后，還必須通過(guò)機組諸多部件(如：齒輪箱、發(fā)電機、變頻器等)進(jìn)行能量轉化，當經(jīng)過(guò)這些部件時(shí)，必然有能量損失。因此，在不同風(fēng)速下，由實(shí)際發(fā)電功率計算出來(lái)的Cp值會(huì )更低，有不少風(fēng)速段的Cp值遠低于0.5。

國外有個(gè)別廠(chǎng)家為了提高實(shí)際機組效率，在葉片輪轂的流線(xiàn)形狀、部件性能等多環(huán)節進(jìn)行深入的研究和大的投入，制造出了最高Cp值超過(guò)0.5的“神機”，但是，因其設計和制造難度增大，勢必使機組的生產(chǎn)成本增加，投資回報時(shí)間延長(cháng)。

目前，國內市場(chǎng)競爭激烈，用戶(hù)不僅在機組招標時(shí)選擇功率曲線(xiàn)優(yōu)秀的機型，而且，在機組投運后，不少業(yè)主還希望通過(guò)調整機組控制策略，提高機組效率和優(yōu)化功率曲線(xiàn)。然而，如不顧當前的技術(shù)水平，忽視機組遠期維護成本和故障幾率，片面地強調機組效率，勢必使機組長(cháng)期度電成本增加，最終，必然是得不償失。

就風(fēng)電機組的控制算法而言，目前尚未有集所有優(yōu)點(diǎn)于一體的控制算法。設計高性能的風(fēng)電機組控制策略需針對具體風(fēng)能環(huán)境，兼顧控制成本和控制目的，最大限度地量化控制指標，實(shí)現多目標優(yōu)化設計。在優(yōu)化功率曲線(xiàn)時(shí)，應兼顧部件及機組壽命、故障幾率以及機組自耗電等，例如：把低風(fēng)速段不變槳且輪轂處于休眠狀態(tài)的控制方式修改為小風(fēng)調槳的控制策略，從原理上講，這的確可使低風(fēng)速段的葉輪Cp值增加，必然使輪轂部件的工作時(shí)間大大增加，機組自耗電增加，部件壽命縮短，故障幾率增加。所以，這種修改未必可取。

因此，在選擇機型時(shí)，應考慮機組的綜合性能。例如：機組使用方便，遠期維護和維修成本低，絕大部分故障可通過(guò)遠程進(jìn)行檢查和診斷等;在優(yōu)化功率曲線(xiàn)提高機組效率時(shí)，應綜合考慮各種因素，避免對機組部件壽命和長(cháng)期維護成本造成不良影響，獲得更優(yōu)的度電成本。

用風(fēng)能系數判斷標準(理論)功能曲線(xiàn)的真實(shí)性

由上面分析可知，現場(chǎng)機組的風(fēng)能利用系數一般不超過(guò)0.5，因此，通過(guò)標準(理論)功率曲線(xiàn)換算出的風(fēng)能利用系數，可以較為簡(jiǎn)便地核實(shí)標準(理論)功率曲線(xiàn)的真實(shí)性。

表1、表2分別示出了某國產(chǎn)和國外品牌1.5MW和2.0MW機組的標準功率曲線(xiàn)數據以及根據發(fā)電功率折算出的風(fēng)能利用系數。國產(chǎn)機組在1.8m/s和2m/s的風(fēng)能利用系數均超過(guò)0.8，4m/s-6m/s風(fēng)能利用系數超過(guò)0.6。如是理論功率曲線(xiàn)，則已超過(guò)了貝茲極限，其真實(shí)性值得懷疑;如為實(shí)測，應是測量偏差或其他原因造成。而國外機組在不同風(fēng)速下由功率曲線(xiàn)換算出的風(fēng)能利用系數，則較符合風(fēng)電機組的運行規律與控制特性。

表1、1.5MW機組功率曲線(xiàn)數據以及根據發(fā)電功率折算的風(fēng)能利用系數

表2、2.0MW機組功率曲線(xiàn)數據以及根據發(fā)電功率折算的風(fēng)能利用系數

注：表1、表2中，計算風(fēng)能利用系數時(shí)，機組的發(fā)電功率視為了葉輪所吸收的電功率，因此，得到的Cp值比葉輪風(fēng)能利用系數值低。

驗證實(shí)測功率曲線(xiàn)、標準(理論)功率曲線(xiàn)和機組現場(chǎng)運行形成功率曲線(xiàn)

機組驗證實(shí)測功率曲線(xiàn)、標準(理論)功率曲線(xiàn)和現場(chǎng)運行形成的功率曲線(xiàn)，雖然都是反映風(fēng)速與機組發(fā)電功率的關(guān)系曲線(xiàn)，由于三者的形成條件和用途的不同，三者又有矛盾的一面。

驗證機組性能的實(shí)測功率曲線(xiàn)與理論功率曲線(xiàn)主要是用于反映機組性能，其生成條件是盡力消除，少考慮或不考慮功率曲線(xiàn)的各種影響因素。

驗證實(shí)測功率曲線(xiàn)，在國際上普遍采用IEC61400-12標準，其采樣周期為10min。在實(shí)測時(shí)，對現場(chǎng)環(huán)境條件及測試設備有著(zhù)嚴格的要求，而現場(chǎng)運行機組一般難以達到。在進(jìn)行功率特性測試時(shí)，還應收集足夠數量且覆蓋一定風(fēng)速范圍和大氣條件變化的數據。其費用高，時(shí)間長(cháng)，會(huì )因湍流強度及其他各種影響因素造成偏差。實(shí)測功率曲線(xiàn)的值不是唯一的，因為，它與機組的現場(chǎng)運行功率曲線(xiàn)一樣都是通過(guò)散點(diǎn)分布圖繪制而成。機組的實(shí)測功率曲線(xiàn)很離散，且范圍較寬，還會(huì )因測量者、測試公司的不同而不同。因此，利用實(shí)測的機組發(fā)電功率與風(fēng)速計算的風(fēng)能利用系數，不僅可能超過(guò)0.5，而且，超過(guò)貝茲極限也是可能的。正因如此，一般不采用實(shí)測功率曲線(xiàn)值作為標書(shū)上的標準功率曲線(xiàn)。在設計評估或設計認證時(shí)，國內大部分整機制造商所提供的擔保功率曲線(xiàn)是通過(guò)仿真計算出來(lái)的理論功率曲線(xiàn)。

在風(fēng)電場(chǎng)，機組運行生成的功率曲線(xiàn)主要用于機組維修和功率調整，要能反映出機組的自身性能、故障狀況、環(huán)境和氣候條件等?，F場(chǎng)需要通過(guò)考察機組運行形成的功率曲線(xiàn)來(lái)判斷機組的葉片、風(fēng)速儀、風(fēng)向標、功率控制參數等是否存在問(wèn)題。例如，對于剛調試完的風(fēng)電機組，需要通過(guò)對每臺機組實(shí)際運行形成功率曲線(xiàn)的考察來(lái)進(jìn)行功率調整，以在短時(shí)間內(經(jīng)歷一兩次大風(fēng))就能把整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)機組的實(shí)際發(fā)電功率準確調整到“額定功率”，機組既不能報“功率過(guò)高”停機，也不能有功率過(guò)低的情況發(fā)生。在風(fēng)電場(chǎng)機組調試的初期，風(fēng)電場(chǎng)通訊還沒(méi)有建立，為了短時(shí)間內把機組調試到最佳狀態(tài)，這不僅需要形成較為完整的功率曲線(xiàn)，而且，功率曲線(xiàn)數據還應生成、儲存在控制器中，以便通過(guò)專(zhuān)門(mén)的調試軟件讀取數據、生成功率曲線(xiàn)。因此，采樣周期不能太長(cháng)，一般應設為30s或1s。對機組調試和檢查缺陷而言，如把采樣周期設置為10min，則很難具有實(shí)用價(jià)值。在這方面，某些國際知名廠(chǎng)家的設計理念和方法值得借鑒，如Mita控制器WP3100。

在生成功率曲線(xiàn)數據時(shí)，不少?lài)a(chǎn)控制器的程序設計，考慮最多的是機組出保，一般采用10min采樣周期，對調試和判斷機組缺陷少有考慮，或沒(méi)有考慮。在控制器編程時(shí)，嚴格遵循IEC61400-12標準，而現場(chǎng)條件及機組傳感器等均不符合IEC61400-12標準要求，因此，生成的功率曲線(xiàn)難以良好地反映機組性能。加之，近年來(lái)，不少風(fēng)電場(chǎng)限電問(wèn)題嚴重，把采樣周期設定為10min，在通常情況下，在一年，甚至幾年都難以形成正常、完整的功率曲線(xiàn)，這給現場(chǎng)的機組調試和維修帶來(lái)了極大的不便。

機組在現場(chǎng)運行生成的功率曲線(xiàn)受到外界多種因素的影響，利用它來(lái)判斷機組性能應有諸多的前提和限制條件。也正因為如此，為了較為準確地考查和驗證機組的功率特性，IEC61400-12-1和IEC61400-12-2標準對此作了詳盡地規定。因現場(chǎng)運行機組達不到這些規定和條件，生成的功率曲線(xiàn)與合同(標準)功率曲線(xiàn)不一致，本屬于正?，F象?；蛘哒f(shuō)，功率曲線(xiàn)不與合同要求完全一致符合現場(chǎng)機組運行的基本規律。

然而由于各種原因，不少業(yè)主對功率曲線(xiàn)有著(zhù)“嚴格”的要求。為了達標，廠(chǎng)家只有采取多種修正方式。如果一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)(如：33臺機組)同一機型的每一臺機組，不需要嚴格的限制條件就能在每個(gè)時(shí)段、每個(gè)風(fēng)速段上生成的功率曲線(xiàn)都符合合同約定，在合同要求之上，那么，其功率曲線(xiàn)可能是采取多種措施或手段進(jìn)行了修正。而這種“修正”往往既不利于良好地反映機組性能，又不利于機組維修和調整。有的甚至因對功率曲線(xiàn)的過(guò)度調整而危及部件壽命，增加故障幾率等。由某國外機組的功率曲線(xiàn)數據可知(見(jiàn)表1、表2)，提高機組的額定功率可以降低其滿(mǎn)負荷風(fēng)速。如為了降低功率曲線(xiàn)上的滿(mǎn)負荷風(fēng)速，減小湍流強度對功率曲線(xiàn)的不利影響，不顧及設備安全，過(guò)度地調高機組額定功率，勢必增加變頻器、發(fā)電機等部件的故障幾率。

正如其他物件的度量一樣。在度量時(shí)，首先應核實(shí)度量工具是否合格;其次還需排除各種影響因素，而不是簡(jiǎn)單地考察測量數值是否滿(mǎn)足要求。因此，在考察風(fēng)電機組的實(shí)際運行功率曲線(xiàn)時(shí)，首先需保證功率曲線(xiàn)的生成程序、生成方式，相關(guān)傳感器及參數設置的正確，同時(shí)，還需排除各種內部和外界的干擾因素。

要讓機組運行得到的功率曲線(xiàn)作為判斷機組性能的重要參考依據，在考察期內應注意以下幾方面的問(wèn)題：機組狀態(tài)及運行條件正常(如：沒(méi)有限功率，風(fēng)速儀的傳遞函數準確、可靠，測量時(shí)間及其連續性符合相關(guān)標準，機組控制器、功率檢測元件、風(fēng)向標、風(fēng)速儀、葉片零位和控制參數等正常);功率曲線(xiàn)的采樣周期、數據采樣、數據篩選、生成方式等科學(xué)、合理，并與現場(chǎng)機組的運行條件相適應，而不是一味地、教條地執行IEC61400-12標準;采取多種有效措施排除風(fēng)況、地形等因素的干擾(如：把不同機位、不同風(fēng)電場(chǎng)的同一廠(chǎng)家同種機型批量機組的功率曲線(xiàn)進(jìn)行分析和比較);在考察期內沒(méi)有修改機組的功率控制程序及功率參數等。如把實(shí)測功率曲線(xiàn)、標準(理論)功率曲線(xiàn)和機組運行生成功率曲線(xiàn)的形成條件和用途彼此混淆，勢必造成思維混亂，失去了功率曲線(xiàn)所應有的作用，同時(shí)，也會(huì )因此產(chǎn)生不必要的糾紛和矛盾。

總結

我們應當理性對待風(fēng)電機組的功率特性考核與效率問(wèn)題，采用合理措施生成功率曲線(xiàn)和判斷機組性能，減少不必要的糾紛和爭論，把主要精力集中于提高機組整體性能，降低機組的長(cháng)期度電成本上。

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