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1.序言
在一文手指出：測試功率曲線本身的不確定度，以及測試與實際應(yīng)用風(fēng)電場環(huán)境條件的差別，會對風(fēng)電場發(fā)電量估算帶來不可忽視的偏差，因而不宜直接使用測試功率曲線進(jìn)行風(fēng)電場發(fā)電量估算。
因為動態(tài)功率曲線才能確切的反映機(jī)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。因而，使用動態(tài)功率曲線進(jìn)行發(fā)電量計算是目前較為科學(xué)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(dá)成共識，部份動態(tài)功率曲線的獲取方法亦存在不合理的地方。
鑒于此，本文將通過剖析影聲響態(tài)功率曲線估算的主要誘因風(fēng)電功率預(yù)測方法，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，為此機(jī)組的仿真模型能夠確切的反映機(jī)組特點、仿真工況設(shè)置能夠確切的模擬外界環(huán)境條件，直接影響了動態(tài)功率曲線估算的確切性。本節(jié)將針對這兩個誘因進(jìn)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
拿來估算動態(tài)功率曲線的仿真模型，是在計算機(jī)中構(gòu)建的與實際機(jī)組相對應(yīng)的數(shù)字模型，其包含實際機(jī)組的基礎(chǔ)、塔架、機(jī)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(yīng)的物理和數(shù)學(xué)工具，得到理論上非常迫近實際的仿真估算結(jié)果。國外現(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(yīng)盡可能確切的反映實際機(jī)組的特點，并通過與實際機(jī)組的測試比對進(jìn)行驗證。假如仿真模型中存在不合理的參數(shù)假設(shè)，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
影聲響態(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(jī)組損失等。
莖稈氣動特點直接關(guān)系到風(fēng)輪的能量借助系數(shù)——Cp，通常而言，正常發(fā)電下的莖稈氣動參數(shù)會通過風(fēng)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：塵土、磨蝕等）帶來莖稈氣動特點的變化，進(jìn)而影響發(fā)電量的估算。
控制策略作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的靈魂，直接影響到機(jī)組在不同環(huán)境下的動態(tài)響應(yīng)，從而影響機(jī)組的發(fā)電功率。在功率曲線估算時，應(yīng)通過對實際機(jī)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(yīng)和實際機(jī)組盡可能乃至完全一致。
莖稈安裝角、轉(zhuǎn)速扭矩表，通常會根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境條件（如：空氣密度等），進(jìn)行調(diào)整，以期獲得機(jī)組最大的Cp，應(yīng)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(jī)組進(jìn)行查證，保證仿真估算和實際一致。
機(jī)組的損失，直接影響了機(jī)組最終的上網(wǎng)電量，主要有機(jī)械損失和電氣損失兩種。其中機(jī)械損失主要是蝸桿箱傳動中形成的損失。電氣損失是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的電功率損失，包含發(fā)電機(jī)損失、變頻器損失、電纜損失、自耗電等。這種損失應(yīng)根據(jù)各部件的測試結(jié)果及有效推測綜合給出，具備條件的應(yīng)在實際機(jī)組上進(jìn)行整體測試。目前行業(yè)上對機(jī)組損失的考慮內(nèi)容、推算方式并不統(tǒng)一。雖然相仿的機(jī)組，損失也相差較大，如圖1所示為不同廠商2MW系列機(jī)組電氣損失假設(shè)比對情況。
圖12MW系列機(jī)組電氣損失比對
可以看出，不同廠商在額定功率附近僅電氣損失假設(shè)差別就可能達(dá)到200kW以上。
綜上，用于動態(tài)功率曲線估算的仿真模型，須要構(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(chǔ)上統(tǒng)一模型參數(shù)的處理規(guī)則，因而有效確保仿真模型還能盡可能確切的反映實際機(jī)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(jī)組仿真模型，對校核前后估算出的功率曲線和發(fā)電量進(jìn)行比對，如右圖：
圖2經(jīng)過校核的和未經(jīng)過校核的仿真模型估算得到的機(jī)組功率曲線
以壩址年平均風(fēng)速分別為6m/s、7.5m/s時的累計發(fā)電量和差別比率進(jìn)行對比剖析，見表1。可以看出，在該算例下風(fēng)電功率預(yù)測方法，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，剖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(guān)，模型越不合理，影響越大。
2.2仿真工況
仿真工況是機(jī)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(jī)組的運(yùn)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，估算各個工況下的結(jié)果，具體包括輸出功率、載荷、機(jī)組狀態(tài)等一系列結(jié)果數(shù)據(jù)，本文主要關(guān)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(shè)置規(guī)則并不統(tǒng)一，部份仿真工況的設(shè)置亦存在不合理之處，不同仿真工況的設(shè)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
根據(jù)-1：2005標(biāo)準(zhǔn)，動態(tài)功率曲線仿真時機(jī)組的工作狀態(tài)應(yīng)采用正常運(yùn)行狀態(tài)（DLC1.2工況）。影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線的外部環(huán)境條件，在《風(fēng)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》中指出，主要有空氣密度、湍流度、風(fēng)剪切、入流角以及偏航角等誘因。其中空氣密度、湍流度、風(fēng)剪切、入流角應(yīng)根據(jù)待開發(fā)壩址的環(huán)境條件進(jìn)行各個風(fēng)速下的設(shè)置，偏航角不應(yīng)直接采用-1：2005的推薦值±8°，而應(yīng)根據(jù)機(jī)組的實際偏航對風(fēng)策略以及型式測試結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。
為保證估算結(jié)果的精度和收斂性，在仿真工況設(shè)置時，還要考慮風(fēng)速的步長以及紊流風(fēng)樣本的隨機(jī)性。風(fēng)速的步長通常參考-12-1：2005標(biāo)準(zhǔn)選定0.5m/s。紊流風(fēng)樣本的隨機(jī)性，意味著須要仿真一定數(shù)目的樣本，能夠使結(jié)果具有足夠的代表性，符合實際情況，但樣本數(shù)過大又會造成估算時間加長。
對于DLC1.2工況的荷載估算，-1：2005標(biāo)準(zhǔn)要求起碼使用6個10min紊流風(fēng)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(jìn)行，但對于動態(tài)功率曲線估算樣本數(shù)是否足夠還需進(jìn)一步研究。
圖3給出了某典型機(jī)組在不同紊流風(fēng)樣本數(shù)下的輸出功率估算結(jié)果。
圖3某1.5MW機(jī)組10m/s風(fēng)速下不同紊流風(fēng)樣本數(shù)的功率結(jié)果
（注：橫座標(biāo)代表紊流風(fēng)樣本數(shù)，一個紊流風(fēng)樣本數(shù)下的任意一個點，都是該紊流風(fēng)樣本數(shù)下功率結(jié)果的平均值，如紊流風(fēng)樣本數(shù)6下有多個紅色的點，每一個紅色的點都是6個10min時間寬度的10m/s紊流風(fēng)仿真估算功率的平均值）
由圖3可知，該機(jī)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(fēng)種子進(jìn)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(fēng)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。為此，只采用6個10min紊流風(fēng)樣本進(jìn)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，須要構(gòu)建一套相對完備的動態(tài)功率曲線仿真工況設(shè)置規(guī)則，在合理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一仿真工況的處理規(guī)則，因而有效確保仿真工況才能盡可能真實的反映機(jī)組工作狀態(tài)和外部環(huán)境條件。
2.2.2仿真工況設(shè)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(shè)置規(guī)則，選用經(jīng)過校核的某2MW機(jī)組仿真模型，與目前行業(yè)常規(guī)工況設(shè)置方式進(jìn)行功率曲線和發(fā)電量的比對，如右圖：
圖4兩種仿真工況設(shè)置估算得到的機(jī)組功率曲線
以壩址年平均風(fēng)速分別為6m/s、7.5m/s時的累計發(fā)電量和差別比率進(jìn)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(shè)置，應(yīng)確保在統(tǒng)一且合理的規(guī)則下進(jìn)行，以減少發(fā)電量估算時的偏差。目前行業(yè)常規(guī)的仿真工況設(shè)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
陌陌編輯器構(gòu)思編輯器
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(shè)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(jī)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(jìn)行比對。因為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（額定前不確定度約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。
圖5特定壩址環(huán)境條件下實測功率曲線和動態(tài)功率曲線比對
以壩址年平均風(fēng)速分別為6m/s、7.5m/s時的累計發(fā)電量和差別比率進(jìn)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）估算得到的動態(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，偏差約1%。偏差相對較低。
4.總結(jié)與建議
陌陌編輯器構(gòu)思編輯器
本文對仿真模型的構(gòu)建和仿真工況的設(shè)置進(jìn)行了全面剖析和算例比對。通過對某機(jī)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(jìn)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。因而，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(yīng)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(shè)置對動態(tài)功率曲線的影響至關(guān)重要。不合理的仿真模型和仿真工況設(shè)置，將會對估算結(jié)果帶來不可忽略的影響。建議：
（1）估算動態(tài)功率曲線之前，應(yīng)首先對機(jī)組的仿真模型進(jìn)行有效的校核，以確保其才能盡可能確切地反映實際機(jī)組的特點。
（2）仿真工況的設(shè)置，應(yīng)當(dāng)在統(tǒng)一且合理的規(guī)則下進(jìn)行，以減少發(fā)電量估算時的偏差。
供稿|符鵬程（鑒衡認(rèn)證）蔡繼峰（鑒衡認(rèn)證）
楊洪源（鑒衡認(rèn)證）