文：符鵬程、蔡繼峰、楊洪源
作者單位：鑒衡認證中心
1、引言
在一文中強調：測試功率曲線本身的不確定度，以及測試與實際應用風電場環境條件的差別，會對風電場發電量估算帶來不可忽視的偏差，因此不宜直接使用測試功率曲線進行風電場發電量估算。
由于動態功率曲線才能確切的反映機組在不同實際環境條件下的發電性能，可以針對不同的壩址環境條件，給出針對性的功率曲線。因此，使用動態功率曲線進行發電量計算是目前較為科學的做法。但怎樣正確的獲取動態功率曲線，業內并未達成共識，部分動態功率曲線的獲取方法亦存在不合理的地方。
鑒于此，本文將通過剖析影響動態功率曲線估算的主要誘因，結合實際比對結果，給出更為合理的動態功率曲線獲取方法。
2、動態功率曲線影響誘因剖析
動態功率曲線需通過仿真估算獲取，因此機組的仿真模型能夠確切的反映機組特點、仿真工況設置能夠確切的模擬外界環境條件，直接影響了動態功率曲線估算的準確性。本節將針對這兩個誘因進行剖析，以給出這兩個誘因會對功率曲線估算帶來的影響大小。
2.1仿真模型
用來估算動態功率曲線的仿真模型，是在計算機中構建的與實際機組相對應的數字模型，其包含實際機組的基礎、塔架、機艙、輪轂、葉片、傳動、電氣、控制和損失等一系列詳盡信息。
仿真模型構建后，將使用對應的物理和數學工具，得到理論上非常迫近實際的仿真估算結果。國內現階段采用的仿真軟件主要有、Flex5、Hawc2，其中的使用最為普遍。
仿真模型應盡可能確切的反映實際機組的特點，并通過與實際機組的測試比對進行驗證。如果仿真模型中存在不合理的參數假設，將會對動態功率曲線估算帶來不可忽視的影響。
2.1.1.仿真估算模型影響誘因
影響動態功率曲線估算的模型參數比較多，主要有莖稈氣動特點、控制策略、葉片安裝角、轉速扭矩表、機組損失等。
葉片氣動特點直接關系到風輪的能量借助系數——Cp，一般而言，正常發電下的莖稈氣動參數會通過風洞試驗得到，但那些參數是在莖稈表面干凈的情況下測得的，實際使用中莖稈表面會由于污損（如：灰塵、磨蝕等）帶來莖稈氣動特點的變化，從而影響發電量的估算。
控制策略作為風力發電機組的靈魂，直接影響到機組在不同環境下的動態響應，進而影響機組的發電功率。在功率曲線估算時，應通過對實際機組的測試對比，確保仿真估算使用的控制策略在不同環境條件下的動態響應和實際機組盡可能乃至完全一致。
葉片安裝角、轉速扭矩表，一般會根據現場的環境條件（如：空氣密度等），進行調整風電功率預測方法，以期獲得機組最大的Cp，應明晰給出這兩個誘因根據不同環境條件調整的規則，并和實際機組進行查證，保證仿真估算和實際一致。
機組的損失，直接影響了機組最終的上網電量，主要有機械損失和電氣損失兩種。其中機械損失主要是齒輪箱傳動中形成的損失。電氣損失是風力發電機組本身的電功率損失，包含發電機損失、變頻器損失、電纜損失、自耗電等。這些損失應根據各部件的測試結果及有效推測綜合給出風電功率預測方法，具備條件的應在實際機組上進行整體測試。目前行業上對機組損失的考慮內容、推算方式并不統一。即使相仿的機組，損失也相差較大，如圖1所示為不同廠商2MW系列機組電氣損失假設比對情況。
可以看出，不同廠商在額定功率附近僅電氣損失假設差別就可能達到200kW以上。
綜上，用于動態功率曲線估算的仿真模型，需要構建一套相對完備的動態功率曲線仿真模型校核方式，在合理的基礎上統一模型參數的處理規則，從而有效確保仿真模型才能盡可能確切的反映實際機組的特點。
2.1.2.仿真模型影響算例剖析
本文按上述原則構建了仿真模型的校核方式，為直觀的表征仿真估算模型對發電量帶來的影響，我們選用某2MW機組仿真模型，對校核前后估算出的功率曲線和發電量進行比對，如下圖：
以場址年平均風速分別為6m/s、7.5m/s時的累計發電量和差別比率進行對比剖析，見表1。可以看出，在該算例下，仿真估算模型的差別會對發電量帶來較大影響，約6%。
2.1.3小結
本節簡單介紹了仿真模型的實現方法，分析了仿真模型的主要影響誘因，給出了仿真模型校核方式，并通過算例給出了仿真模型可能對發電量估算帶來的影響，該影響與仿真模型的合理程度有關，模型越不合理，影響越大。
2.2仿真工況
仿真工況是機組的工作狀態和外部環境條件的組合，將盡可能的還原機組的運行條件。仿真軟件將使用早已構建好并通過校核的仿真估算模型，計算各個工況下的結果，具體包括輸出功率、載荷、機組狀態等一系列結果數據，本文主要關注輸出功率。
目前，行業上對動態功率曲線估算使用的仿真工況設置規則并不統一，部分仿真工況的設置亦存在不合理之處，不同仿真工況的設置會給功率曲線估算帶來不可忽視的影響。
2.2.1. 仿真工況影響誘因
依據-1：2005標準，動態功率曲線仿真時機組的工作狀態應采用正常運行狀態（DLC1.2工況）。影響風力發電機組功率曲線的外部環境條件，在《風電場發電量估算功率曲線選擇方式之一——測試功率曲線不宜直接使用》中強調，主要有空氣密度、湍流度、風剪切、入流角以及偏航角等誘因。其中空氣密度、湍流度、風剪切、入流角應根據待開發壩址的環境條件進行各個風速下的設置，偏航角不應直接采用-1：2005的推薦值±8°，而應根據機組的實際偏航對風策略以及型式測試結果進行設置。
為保證估算結果的精度和收斂性，在仿真工況設置時，還要考慮風速的步長以及紊流風樣本的隨機性。風速的步長通常參考-12-1：2005標準選定0.5m/s。湍流風樣本的隨機性，意味著須要仿真一定數目的樣本，才能使結果具有足夠的代表性，符合實際情況，但樣本數過大又會導致估算時間加長。
對于DLC1.2工況的荷載估算，-1：2005標準要求起碼使用6個10min紊流風樣本。目前國外在估算動態功率曲線時一般也參考該要求進行，但對于動態功率曲線估算樣本數是否足夠還需進一步研究。
圖3給出了某典型機組在不同紊流風樣本數下的輸出功率估算結果。
由圖3可知，該機組在10m/s的動態功率收斂結果約為左右，而假如只用6個風種子進行估算，其估算得到的動態功率從~均有可能，相差40kW，若各個風速均累積該40kW的功率偏差，則會對最終的發電量估算帶來不容忽略的偏差。因此，只采用6個10min紊流風樣本進行動態功率曲線估算并不能滿足要求。
綜上，用于動態功率曲線估算的仿真工況，需要構建一套相對完備的動態功率曲線仿真工況設置規則，在合理的基礎上統一仿真工況的處理規則，從而有效確保仿真工況才能盡可能真實的反映機組工作狀態和外部環境條件。
2.2.2仿真工況設置影響算例剖析
同樣，本文按上述原則構建了仿真工況的設置規則，選用經過校核的某2MW機組仿真模型，與目前行業常規工況設置方式進行功率曲線和發電量的比對，如下圖：
以場址年平均風速分別為6m/s、7.5m/s時的累計發電量和差別比率進行對比剖析，見表2。可以看出，在該案列下，仿真工況對發電量會帶來較大影響，約3.5%。
2.2.3 小結
仿真工況的設置，應確保在統一且合理的規則下進行，以減低發電量估算時的偏差。目前行業常規的仿真工況設置可能會給發電量估算帶來約3.5%的差別。
3、實測功率曲線案例比對
為確定針對動態功率曲線估算構建的已相對完備的仿真模型參數處理規則和仿真工況設置規則的有效性，我們將使用某個特定壩址環境條件下的機組實測功率曲線與使用該規則估算出的該特定壩址環境條件下的動態功率曲線進行比對。由于測試功率曲線本身也存在一定不確定度，為了盡量減少其影響，使比對結果具有挺好的說明意義，在比對中我們選購了測試不確定相對較小（額定前不確定度越6%，額定后不確定度約1%）的一個樣本。功率曲線比對結果如圖5所示。
以場址年平均風速分別為6m/s、7.5m/s時的累計發電量和差別比率進行對比剖析，見表3。可以看出，在該特定壩址環境條件下，采用推薦方式（CGC估算方式）計算得到的動態功率曲線發電量估算結果和按照實測功率曲線估算的發電量估算結果非常接近，誤差約1%。誤差相對較低。
4、總結與建議
本文對仿真模型的構建和仿真工況的設置進行了全面剖析和算例比對。通過對某機組在某特定壩址環境條件下的實測功率曲線與使用本文方式仿真估算的動態功率曲線進行比對，驗證了采用本文方式獲取的動態功率曲線的有效性。因此，該方式可針對不同壩址環境條件，給出合理有效的動態功率曲線，用于相應項目的發電量估算。
在本文的剖析中也發覺，仿真模型的確定和仿真工況的設置對動態功率曲線的影響至關重要。不合理的仿真模型和仿真工況設置，將會對估算結果帶來不可忽略的影響。建議：
（1）計算動態功率曲線之前，應首先對機組的仿真模型進行有效的校核，以確保其才能盡可能確切地反映實際機組的特點。
（2）仿真工況的設置，應該在統一且合理的規則下進行，以減低發電量估算時的偏差。