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(diào)：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(huán)境條件的差別，會對風電場發(fā)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(fā)電量估算。
由于動態(tài)功率曲線才能確切的反映機組在不同實際環(huán)境條件下的發(fā)電性能，可以針對不同的壩址環(huán)境條件，給出針對性的功率曲線。因此，使用動態(tài)功率曲線進行發(fā)電量計算是目前較為科學的做法。但怎樣正確的獲取動態(tài)功率曲線，業(yè)內(nèi)并未達成共識，部分動態(tài)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(tài)功率曲線估算的主要誘因，結(jié)合實際比對結(jié)果，給出更為合理的動態(tài)功率曲線獲取方法。
2、動態(tài)功率曲線影響誘因剖析
動態(tài)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(huán)境條件，直接影響了動態(tài)功率曲線估算的準確性。本節(jié)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(tài)功率曲線的仿真模型，是在計算機中構(gòu)建的與實際機組相對應的數(shù)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(gòu)建后，將使用對應的物理和數(shù)學工具，得到理論上非常迫近實際的仿真估算結(jié)果。國內(nèi)現(xiàn)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(shù)假設，將會對動態(tài)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(tài)功率曲線估算的模型參數(shù)比較多，主要有莖稈氣動特點、控制策略、葉片安裝角、轉(zhuǎn)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(shù)——Cp，一般而言，正常發(fā)電下的莖稈氣動參數(shù)會通過風洞試驗得到，但那些參數(shù)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(fā)電量的估算。
控制策略作為風力發(fā)電機組的靈魂，直接影響到機組在不同環(huán)境下的動態(tài)響應，進而影響機組的發(fā)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(huán)境條件下的動態(tài)響應和實際機組盡可能乃至完全一致。
葉片安裝角、轉(zhuǎn)速扭矩表，一般會根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境條件（如：空氣密度等），進行調(diào)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(jù)不同環(huán)境條件調(diào)整的規(guī)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(wǎng)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(fā)電機組本身的電功率損失，包含發(fā)電機損失、變頻器損失、電纜損失、自耗電等。這些損失應根據(jù)各部件的測試結(jié)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(yè)上對機組損失的考慮內(nèi)容、推算方式并不統(tǒng)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(tài)功率曲線估算的仿真模型，需要構(gòu)建一套相對完備的動態(tài)功率曲線仿真模型校核方式，在合理的基礎上統(tǒng)一模型參數(shù)的處理規(guī)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(gòu)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電量帶來較大影響，約6%。
2.1.3小結(jié)
本節(jié)簡單介紹了仿真模型的實現(xiàn)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(fā)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(tài)和外部環(huán)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(gòu)建好并通過校核的仿真估算模型，計算各個工況下的結(jié)果，具體包括輸出功率、載荷、機組狀態(tài)等一系列結(jié)果數(shù)據(jù)，本文主要關注輸出功率。
目前，行業(yè)上對動態(tài)功率曲線估算使用的仿真工況設置規(guī)則并不統(tǒng)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(jù)-1：2005標準，動態(tài)功率曲線仿真時機組的工作狀態(tài)應采用正常運行狀態(tài)（DLC1.2工況）。影響風力發(fā)電機組功率曲線的外部環(huán)境條件，在《風電場發(fā)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(diào)，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(jù)待開發(fā)壩址的環(huán)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(jù)機組的實際偏航對風策略以及型式測試結(jié)果進行設置。
為保證估算結(jié)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(shù)目的樣本，才能使結(jié)果具有足夠的代表性，符合實際情況，但樣本數(shù)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(tài)功率曲線時一般也參考該要求進行，但對于動態(tài)功率曲線估算樣本數(shù)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(shù)下的輸出功率估算結(jié)果。
由圖3可知，該機組在10m/s的動態(tài)功率收斂結(jié)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(tài)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(fā)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(tài)功率曲線估算并不能滿足要求。
綜上，用于動態(tài)功率曲線估算的仿真工況，需要構(gòu)建一套相對完備的動態(tài)功率曲線仿真工況設置規(guī)則，在合理的基礎上統(tǒng)一仿真工況的處理規(guī)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(tài)和外部環(huán)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(gòu)建了仿真工況的設置規(guī)則，選用經(jīng)過校核的某2MW機組仿真模型，與目前行業(yè)常規(guī)工況設置方式進行功率曲線和發(fā)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(fā)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(fā)電量會帶來較大影響，約3.5%。
2.2.3 小結(jié)
仿真工況的設置，應確保在統(tǒng)一且合理的規(guī)則下進行，以減低發(fā)電量估算時的偏差。目前行業(yè)常規(guī)的仿真工況設置可能會給發(fā)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(tài)功率曲線估算構(gòu)建的已相對完備的仿真模型參數(shù)處理規(guī)則和仿真工況設置規(guī)則的有效性，我們將使用某個特定壩址環(huán)境條件下的機組實測功率曲線與使用該規(guī)則估算出的該特定壩址環(huán)境條件下的動態(tài)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(jié)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(jié)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(fā)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(huán)境條件下，采用推薦方式（CGC估算方式）計算得到的動態(tài)功率曲線發(fā)電量估算結(jié)果和按照實測功率曲線估算的發(fā)電量估算結(jié)果非常接近，誤差約1%。誤差相對較低。
4、總結(jié)與建議
本文對仿真模型的構(gòu)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(huán)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(tài)功率曲線進行比對，驗證了采用本文方式獲取的動態(tài)功率曲線的有效性。因此，該方式可針對不同壩址環(huán)境條件，給出合理有效的動態(tài)功率曲線，用于相應項目的發(fā)電量估算。
在本文的剖析中也發(fā)覺，仿真模型的確定和仿真工況的設置對動態(tài)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(jié)果帶來不可忽略的影響。建議：
（1）計算動態(tài)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(tǒng)一且合理的規(guī)則下進行，以減低發(fā)電量估算時的偏差。