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  作者：張毅   

  目前風(fēng)電機(jī)組功率特性研究主要集中在準(zhǔn)確建立機(jī)組的動(dòng)態(tài)功率曲線，而利用機(jī)組的輸出功率波動(dòng)性評(píng)估設(shè)備性能的量化分析研究較少，而該方面的研究工作對(duì)設(shè)備選型、優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行設(shè)備性能分析有重要的意義。為此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，利用機(jī)組的輸出功率波動(dòng)性，開展了機(jī)組性能評(píng)估研究，分別針對(duì)不同類型機(jī)組、單臺(tái)機(jī)組和機(jī)組運(yùn)行在不同風(fēng)速下提出了輸出功率機(jī)組性能分析方法，以期為風(fēng)電機(jī)組的性能評(píng)估提供理論基礎(chǔ)。

1不同類型機(jī)組的性能評(píng)估模型

    風(fēng)電場(chǎng)中通常安裝多臺(tái)具有相同配置的機(jī)組，從理論上講，其功率曲線應(yīng)該相同，但由于制造、安裝誤差和控制策略不同等原因，在運(yùn)行過程中，不同機(jī)組之間實(shí)際測(cè)量的功率曲線往往存在一定差異。不同類型的機(jī)組，如果某類型多臺(tái)機(jī)組功率曲線的差異越小，說明此類型機(jī)組的性能越穩(wěn)定�；�于上述現(xiàn)象，針對(duì)不同類型的機(jī)組進(jìn)行建模：首先以運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，測(cè)量機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的功率曲線；然后以單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行功率曲線與多臺(tái)配置相同的同型號(hào)機(jī)組平均功率曲線的偏離程度為測(cè)度，構(gòu)造了不同類型風(fēng)電機(jī)組功率曲線變異分析模型。

1.1功率曲線的測(cè)量

    針對(duì)新型機(jī)組功率特性測(cè)試，我國頒布了GB/T 18451.2-2012標(biāo)準(zhǔn)，但由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行機(jī)組的測(cè)試條件不能嚴(yán)格滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的苛刻條件，因此，本文參照標(biāo)準(zhǔn)中的bins方法，利用風(fēng)電機(jī)組中央監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)記錄的數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線進(jìn)行測(cè)量。首先對(duì)機(jī)組SCADA記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和修正：然后根據(jù)bins方法的原理，把風(fēng)速分成間隔為1 m/s的風(fēng)速區(qū)間，計(jì)算每個(gè)區(qū)間內(nèi)風(fēng)速的平均值和輸出功率的平均值；最后把所有區(qū)間的平均風(fēng)速和平均功率對(duì)應(yīng)的點(diǎn)連接起來，得到風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行功率曲線。

1.1.1數(shù)據(jù)的收集

    機(jī)組運(yùn)行過程中，中央監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)對(duì)風(fēng)速、大氣壓力、環(huán)境溫度、功率等信號(hào)進(jìn)行記錄，利用中央監(jiān)控系統(tǒng)查詢歷史數(shù)據(jù)的功能，調(diào)用10min間隔歷史測(cè)量數(shù)據(jù)用于本文分析。

1.1.2數(shù)據(jù)的篩選和修正

為了提高功率曲線分析結(jié)果的可靠性，需對(duì)機(jī)組不工作時(shí)的數(shù)據(jù)和大于切人風(fēng)速以上遇到停機(jī)過程或啟動(dòng)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理這兩類數(shù)據(jù)可用以下方法：當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速3 m/s時(shí)，輸出功率仍為0或負(fù)值即為機(jī)組不工作點(diǎn)：在切入風(fēng)速以上、切出風(fēng)速以下功率從正常值減小到0或負(fù)值的點(diǎn)即為機(jī)組的停機(jī)過程，刪除這些點(diǎn)以及相鄰前3個(gè)點(diǎn)（大約30 min）：同理，在切人風(fēng)速以上，輸出功率由0或負(fù)值逐漸增加到正值的過程即為機(jī)組的啟動(dòng)，刪除其后3個(gè)點(diǎn)。經(jīng)過這些處理后，基本刪除了對(duì)分析影響較大的兩類數(shù)據(jù)，只留下了正常的數(shù)據(jù)，如圖1所示。

風(fēng)電機(jī)組的功率曲線受空氣密度、現(xiàn)場(chǎng)濕度、溫度、氣壓、輸出功率和風(fēng)速的影響。在功率曲線測(cè)量過程中，需要將相關(guān)參量進(jìn)行修正，折算成指定標(biāo)準(zhǔn)下的修正量。本文研究風(fēng)電機(jī)組是變槳距變速類型，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T18451.2 -2012．需要對(duì)輸入風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，具體的折算關(guān)系為

式中：V，為第i（i=1，2，…，n）個(gè)風(fēng)速區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化的平均風(fēng)速；v：。為第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間數(shù)據(jù)j標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)速；P為第i個(gè)區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化的平均輸出功率；P。為第i個(gè)區(qū)間數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化的平均輸出功率；N。為第i個(gè)區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

    利用式(1)~(4)可以繪制實(shí)際運(yùn)行的功率曲線。

1.2不同類型機(jī)組的功率曲線變異分析模型

    雖然理論上相同型號(hào)的機(jī)組功率曲線應(yīng)該一樣。但實(shí)際運(yùn)行過程中，其功率曲線存在一定的變異，工程中有2種可行方法用于計(jì)算機(jī)組功率曲線變化。①將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)機(jī)組實(shí)際測(cè)得的功率曲線與制造商提供的理論功率曲線的進(jìn)行對(duì)比；②將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)機(jī)組實(shí)際測(cè)得的功率曲線與該類型機(jī)組的平均功率曲線進(jìn)行對(duì)比。兩種方法建模思路基本一致，鑒于方法②分析中全部采用運(yùn)行數(shù)據(jù)，更能體現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，因此本研究選擇方法②進(jìn)行建模分析。具體過程如下。

1. 算多臺(tái)同配置機(jī)組的平均功率曲線，假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)中某類型機(jī)組有m(m≥2)臺(tái)，則有：

2單臺(tái)機(jī)組的性能分析模型

    在風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組中，機(jī)組間性能的不同往往體現(xiàn)在機(jī)組的輸出功率特性上，如何評(píng)估這種機(jī)組簡(jiǎn)單差異，本文構(gòu)建了一種基于風(fēng)速和輸出功率相關(guān)性的指標(biāo)來度量這種差異。

    互相關(guān)系數(shù)是反映兩組數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)關(guān)聯(lián)程度的度量方式，當(dāng)兩組數(shù)據(jù)互相關(guān)系數(shù)為1時(shí)，說明兩組數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)完全相同。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，在特定風(fēng)速區(qū)問內(nèi)，機(jī)組的輸出功率分散程度與風(fēng)速的分散程度正相關(guān)，其相關(guān)程度越接近于1，說明機(jī)組的性能越好，因此構(gòu)建基于功率特性，以相關(guān)系數(shù)為測(cè)度的單臺(tái)機(jī)組性能分析模型。具體建模思路：方差系數(shù)是反映數(shù)據(jù)分散程度的一種度量方式，在機(jī)組的有效風(fēng)速范圍內(nèi)，計(jì)算不同風(fēng)速區(qū)間的輸入風(fēng)速的方差系數(shù)和該風(fēng)速區(qū)間對(duì)應(yīng)的輸出功率方差系數(shù)。以不同區(qū)間內(nèi)的風(fēng)速方差系數(shù)和輸出功率方差系數(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)造兩個(gè)數(shù)據(jù)組，然后計(jì)算兩個(gè)數(shù)據(jù)組的相關(guān)系數(shù)，來分析單臺(tái)機(jī)組的性能。過程如下。

1. 算各風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)速和輸出功率方差系數(shù)：

3單臺(tái)機(jī)組不同風(fēng)速下的性能分析方法

    風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，風(fēng)速和功率的關(guān)系并不唯一確定，特定風(fēng)速下的輸出功率具有波動(dòng)性，是一個(gè)隨機(jī)變量。機(jī)組在特定風(fēng)速下輸出功率特性越好，則該風(fēng)速下的數(shù)據(jù)點(diǎn)越集中�；�于上述現(xiàn)象，構(gòu)造了特定風(fēng)速下機(jī)組輸出功率波動(dòng)性分析方法，以分析機(jī)組在不同風(fēng)速下的輸出性能。該方法首先對(duì)機(jī)組運(yùn)行風(fēng)速進(jìn)行分區(qū)，然后統(tǒng)計(jì)各個(gè)風(fēng)速區(qū)間輸出功率的分布并繪制一組輸出功率頻率直方圖，以便于觀測(cè)不同風(fēng)速區(qū)間上的輸出功率穩(wěn)定性。

對(duì)記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)，選取切入風(fēng)速和切出風(fēng)速之間的數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)速進(jìn)行分區(qū)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)風(fēng)速區(qū)間輸出功率的分布，則有：

4實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證文中提出方法，選取兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)各5臺(tái)并網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組進(jìn)行分析。風(fēng)場(chǎng)一處在甘肅酒泉風(fēng)電基地，裝機(jī)容量99 MW，共安裝66臺(tái)某型號(hào)1 500 kW雙饋型機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱I型機(jī)組）。風(fēng)場(chǎng)二處在吉林白城風(fēng)電基地，裝機(jī)容量49.5 MW，安裝某型號(hào)33臺(tái)1 500 kW永磁直驅(qū)型機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱II型機(jī)組），兩種機(jī)組主要參數(shù)如表1所示。利用SCADA數(shù)據(jù)，截取2013年1～8月的數(shù)據(jù)用于提出方法的分析驗(yàn)證。

4.1兩種類型機(jī)組性能評(píng)估

按本文的方法，對(duì)兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)的10臺(tái)機(jī)組的功率曲線進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果分別如圖2～4所示。

    從圖2，3中可以看出，在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，當(dāng)風(fēng)速>14 m/s時(shí)，I型機(jī)組的功率曲線變化比較大，而對(duì)于Ⅱ型機(jī)組，當(dāng)風(fēng)速<14 m/s時(shí)，功率曲線變化較大。

  按照式(5)~(8)分別計(jì)算I型機(jī)組和Ⅱ型機(jī)組的功率曲線變化指標(biāo)：

    對(duì)比功率曲線變化指標(biāo)，說明Ⅱ型機(jī)組的功率曲線變異比I型機(jī)組大，Ⅱ型機(jī)組基于輸出功率的性能穩(wěn)定性差，這可能與機(jī)組設(shè)計(jì)、制造過程中的質(zhì)量控制有關(guān)。觀察圖4，I型機(jī)組輸出功率較Ⅱ型機(jī)組整體偏低，當(dāng)風(fēng)速>12 m/s時(shí)，I型機(jī)組將輸出功率限制在1 450kW左右，而Ⅱ型機(jī)組將輸出功率限制在1 550kW左右，額定輸出功率相同的兩種機(jī)組的差異可能與保護(hù)控制策略有關(guān)。當(dāng)風(fēng)速<12 m/s時(shí)，機(jī)組的性能除了兩種機(jī)組的控制策略不同，與葉輪捕獲風(fēng)能有關(guān)。在上述對(duì)比的兩種額定功率相同的機(jī)組，因輸出功率大小的差異，可能嚴(yán)重影響機(jī)組的效益。

4.2單臺(tái)機(jī)組輸出性能分析

基于機(jī)組的輸出功率特性，分別計(jì)算10臺(tái)機(jī)組的單機(jī)性能度量指標(biāo)，如表2所示。

    由表2可知，I型機(jī)組中，2號(hào)輸出性能最好，5號(hào)最差；Ⅱ型機(jī)組中，5號(hào)輸出性能最好，2號(hào)最差。在10臺(tái)機(jī)組中，輸出性能最好的是Ⅱ型5號(hào)機(jī)組，最差的是I型5號(hào)機(jī)組。

    分別計(jì)算表2中兩種型號(hào)機(jī)組的功率一風(fēng)速相關(guān)系數(shù)的均值和方差系數(shù)，分別為S．=0.918 2，

    SII>S I，說明II型機(jī)組的單臺(tái)機(jī)組輸出功率性能好。而方差系數(shù)C。。>C…說明Ⅱ型機(jī)組的單臺(tái)機(jī)組性能變異大，這與4.1的結(jié)論基本相符。

4.3機(jī)組在不同風(fēng)速下輸出穩(wěn)定性分析

以I型5號(hào)機(jī)組和Ⅱ型5號(hào)機(jī)組為例進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5，6所示。

    由圖5，6可以看出，當(dāng)風(fēng)速>1 Im/s時(shí)，I型5號(hào)機(jī)組輸出功率比Ⅱ型5號(hào)機(jī)組分散，說明I型5號(hào)機(jī)組輸出功率在高風(fēng)速階段比Ⅱ型5號(hào)機(jī)組的輸出功率波動(dòng)大。特別是當(dāng)風(fēng)速>15m/s時(shí)，這種差異非常明顯，因此，要降低I型5號(hào)機(jī)組的輸出功率波動(dòng)性，需要對(duì)影響其高風(fēng)速階段的輸出功率因素控制進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化改進(jìn)。

4.4結(jié)果分析

    利用本文設(shè)計(jì)的方法，通過分析兩種不同型號(hào)10臺(tái)機(jī)組8個(gè)月實(shí)際運(yùn)行情況，可以得到以下結(jié)論：對(duì)于不同型號(hào)機(jī)組，I型機(jī)組功率曲線更趨于一致，導(dǎo)致Ⅱ型機(jī)組的差的原因可能與機(jī)組質(zhì)量變異有關(guān)：從單臺(tái)機(jī)組輸出功率性能來講，Ⅱ型機(jī)組的單臺(tái)機(jī)組輸出性能更好一些，但是分析樣本的計(jì)算結(jié)果較分散：通過分析不同風(fēng)速下的機(jī)組的輸出功率，造成I型機(jī)組單臺(tái)輸出功率穩(wěn)定性差的原因可能是在高風(fēng)速階段I型機(jī)組的輸出功率波動(dòng)性大有關(guān)。因此，要提高機(jī)組的輸出性能，對(duì)于I型機(jī)組，需要降低高風(fēng)速段機(jī)組的波動(dòng)性，并改進(jìn)保護(hù)控制策略，使機(jī)組的高風(fēng)速階段實(shí)際輸出功率達(dá)到額定輸出功率。而對(duì)于Ⅱ型機(jī)組，應(yīng)減少機(jī)組產(chǎn)品的質(zhì)量變異，需加強(qiáng)制造、安裝、維護(hù)過程中的質(zhì)量控制。

5結(jié)論

本文利用風(fēng)電機(jī)組SCADA記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)，研究了基于輸出功率波動(dòng)性的機(jī)組性能分析方法。以北方兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)兩種不同型號(hào)機(jī)組8個(gè)月運(yùn)行記錄驗(yàn)證了提出的分析方法有效性為風(fēng)電機(jī)組的性能分析和評(píng)估提供重要的理論價(jià)值。結(jié)果表明：①基于功率曲線變異的風(fēng)電機(jī)組性能分析模型可以定量的分析不同類型機(jī)組的性能。②基于風(fēng)速和功率相關(guān)性構(gòu)造的單臺(tái)機(jī)組性能分析模型能有效的定量評(píng)價(jià)單臺(tái)機(jī)組的輸出性能，且分析結(jié)果不受機(jī)組類型的影響。③基于分段風(fēng)速的性能分析方法能簡(jiǎn)單直觀的表達(dá)運(yùn)行在不同風(fēng)速階段的機(jī)組的性能狀態(tài)。

6摘要：輸出功率特性是反映風(fēng)電機(jī)組性能的主要指標(biāo)之一，利用中央監(jiān)控系統(tǒng)記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)，提出了3種不同的基于輸出功率波動(dòng)性機(jī)組性能分析方法。，針對(duì)不同型號(hào)的機(jī)組，在測(cè)量機(jī)組動(dòng)態(tài)功率曲線的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于功率曲線變異的輸出性能分析模型；針對(duì)單臺(tái)機(jī)組提出了基于風(fēng)速和功率方差系數(shù)相關(guān)性的性能分析模型：針對(duì)單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行在不同風(fēng)速下，提出了基于分段風(fēng)速的輸出性能的分析方法。最后，以2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組8個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)提出的機(jī)組分析性能方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，文章提出的方法能夠有效的分析風(fēng)電機(jī)組的性能。