風(fēng)電機組實際運行功率曲線影響因素分析

　　風(fēng)電機組串列布置是指下游風(fēng)電機組風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸線與上游風(fēng)電機組風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸線重合的情況。圖8 是用AV 尾流模型計算處在尾流區(qū)不同截面上的風(fēng)電機組風(fēng)輪功率系數(shù)曲線[1]。

圖8 串列布置時尾流區(qū)風(fēng)電機組風(fēng)輪功率系數(shù)[1]

　　由圖可知：
　　在x/D=4 時，計算達到的最大風(fēng)輪功率系數(shù)為沒有尾流影響的45% 左右；
　　在x/D=6 時，為65% 左右；在x/D=8 時，為75% 左右；在x/D=16 時，為97% 左右，尾流影響基本可以忽略[1]。
　　圖9 為現(xiàn)場實拍風(fēng)電機組受尾流影響照片。上游風(fēng)電機組對下游風(fēng)電機組的影響不斷擴大，越是下游的風(fēng)電機組其受影響程度越深。

圖9 實拍風(fēng)電機組尾流場景

　　圖10 為某風(fēng)電場的風(fēng)電機組呈串列布置后，上游風(fēng)電機組對下游風(fēng)電機組功率的影響。西風(fēng)（255°－ 285°），風(fēng)速8m/s － 9m/s，風(fēng)電機組的間隔距離為500m。從圖中可以看出，由于尾流的影響, 降低了風(fēng)電機組的發(fā)電功率，從而減少了發(fā)電量，也影響了風(fēng)電機組的功率曲線。

圖10 上游風(fēng)電機組尾流對下游風(fēng)電機組的影響

　　2.8 風(fēng)電機組對風(fēng)偏差對功率曲線的影響
　　圖11 給出了不同風(fēng)輪對風(fēng)偏差角度的風(fēng)輪功率系數(shù)曲線。由圖可知：有對風(fēng)偏差角時，由于垂直于風(fēng)輪的來流速度減小，使風(fēng)輪功率系數(shù)減小，當(dāng)對風(fēng)偏差在±15°時，風(fēng)輪功率系數(shù)約減小10%。對風(fēng)偏差角越大，風(fēng)輪功率系數(shù)減小越多[1]。

圖11 不同風(fēng)輪對風(fēng)偏差角度的風(fēng)輪功率系數(shù)曲線[1]

　　為了提高風(fēng)電機組的效率，需要進行跟風(fēng)偏航。較小的對風(fēng)偏差角度有利于提高風(fēng)電機組的發(fā)電效率，但是由于風(fēng)和風(fēng)電機組的特點，只有在風(fēng)輪與風(fēng)向偏差較大時，風(fēng)電機組才進行偏航。
　　一方面，由于風(fēng)向可以在瞬間變化，風(fēng)輪的慣性很大。因此，風(fēng)電機組難以跟上風(fēng)向的變化，在一定的風(fēng)向偏差范圍內(nèi)風(fēng)電機組不進行偏航。也就是說，風(fēng)電機組在一定的風(fēng)向范圍內(nèi)“以不變應(yīng)萬變”；另一方面，大型風(fēng)電機組為了避免頻繁偏航調(diào)向的交變載荷對結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響，通常在控制系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)定大于15°時，風(fēng)電機組進行偏航對風(fēng)[1]。
　　按照Repower 廠家的控制系統(tǒng)偏航參數(shù)設(shè)置，在風(fēng)速小于6m/s 時，風(fēng)電機組對風(fēng)偏差不超過±16°，風(fēng)電機組不進行偏航，機頭與風(fēng)向的偏差角度在16°與25°之間，且時間超過120s，風(fēng)電機組才執(zhí)行對風(fēng)偏航；當(dāng)風(fēng)速大于7m/s 時，風(fēng)向相對較為穩(wěn)定，這時偏航的角度和時間設(shè)置較小。按照Repower 廠家的參數(shù)設(shè)置，對風(fēng)的偏差角度超過±8°，且時間超過60s，風(fēng)電機組執(zhí)行對風(fēng)偏航。
　　實際風(fēng)電機組偏航的頻繁程度，由風(fēng)電機組所處風(fēng)況以及控制器設(shè)置的參數(shù)決定。在低風(fēng)速段且風(fēng)電機組發(fā)電功率較小時，偏航電機耗電占發(fā)電功率的比例較高，偏航的頻繁程度也是影響風(fēng)電機組實際運行功率曲線的一個重要因素。
　　因此，從風(fēng)場的實際情況來看，風(fēng)電機組不能跟上風(fēng)向是絕對的，能對上風(fēng)是相對的，風(fēng)電機組的機頭方向與風(fēng)向總會有一定的偏差。圖12 是因?qū)︼L(fēng)偏差造成風(fēng)電機組葉輪風(fēng)能利用系數(shù)降低、效率下降的情況，影響風(fēng)電機組的實際運行功率曲線。

圖12 對風(fēng)偏差角度與風(fēng)電機組的效率

　　2.9 機型對實際運行功率曲線的影響
　　風(fēng)電機組的機型不同，在同等條件下，形成的風(fēng)電機組實際運行功率曲線不同。
　　2.9.1 變速變槳恒頻與定槳失速風(fēng)電機組
　　定槳距是指槳葉與輪載的連接是固定的，槳距角固定不變。即當(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。
　　失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生渦流，效率降低，限制發(fā)電機的功率輸出。因此，當(dāng)風(fēng)速大于滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速時，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)電機組的發(fā)電功率減小，如圖4（a）所示。
　　變槳距是指安裝在葉輪上的葉片可以通過控制改變其槳距角的大小。當(dāng)發(fā)電機輸出功率達到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。因此，風(fēng)電機組在滿負(fù)荷發(fā)電風(fēng)速以后，通過控制穩(wěn)定風(fēng)電機組的功率，風(fēng)電機組的功率不會隨風(fēng)速的變化而變化，如圖4（b）所示。
　　2.9.2 變槳恒頻直驅(qū)風(fēng)電機組與變槳恒頻雙饋風(fēng)電機組
　　直驅(qū)風(fēng)電機組沒有運行轉(zhuǎn)速的下限，從原理上講，直驅(qū)風(fēng)電機組的切入風(fēng)速可以更低，沒有齒輪箱，消除了齒輪箱的耗能，雙饋機組工作于亞同步時，轉(zhuǎn)子勵磁需要從電網(wǎng)吸收少量的能量，永磁直驅(qū)不需要勵磁，減少了能耗。
　　因此，一般情況下，直驅(qū)風(fēng)電機組在低風(fēng)速段功率曲線較好。
　　直驅(qū)風(fēng)電機組需要全功率變頻，所使用的是全功率變頻器，在功率較高時，變頻器的耗能較大，變頻器的功率原件與冷卻設(shè)備耗能比雙饋機組大得多，而雙饋機組采用的是部分功率變頻技術(shù)。一般情況下，在較高風(fēng)速段到滿發(fā)風(fēng)速之前，雙饋機組的功率特性較好。
　　2.10 形成功率曲線的環(huán)節(jié)造成功率曲線差異
　　實際功率曲線要受到很多外界因素和條件的影響。因此，IEC 61400 － 12 － 1: 2005 《Wind turbinegenerator systems － Part 12: Wind turbine powerperformance testing》對風(fēng)電機組功率特性的測試條件作了詳盡的規(guī)定和限制。