1.引 言
風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)過程中，在設(shè)備招投標(biāo)階段，風(fēng)電機(jī)組選型是其中最重要的工作之一。為了保證風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)期的收益，機(jī)組選型時(shí)除了關(guān)注必須考慮的機(jī)組安全性和可靠性以外，機(jī)組發(fā)電性能好壞就成為另一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)。通常在機(jī)組選型時(shí)希望根據(jù)機(jī)組功率曲線和擬建風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境條件對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組發(fā)電量進(jìn)行足夠準(zhǔn)確的估算，這樣不僅有利于進(jìn)行準(zhǔn)確的投資收益分析，同時(shí)也有利于更客觀、公正、科學(xué)地開展機(jī)組選型，遴選出最適合于擬建項(xiàng)目的風(fēng)電機(jī)組。
目前，國內(nèi)用于招投標(biāo)階段機(jī)組發(fā)電量估算的功率曲線并不統(tǒng)一，可以分為理論功率曲線和實(shí)測(cè)功率曲線兩大類，其中理論功率曲線又包括穩(wěn)態(tài)功率曲線和動(dòng)態(tài)功率曲線兩種，具體如下：
（1）穩(wěn)態(tài)功率曲線：假定風(fēng)速不變，對(duì)機(jī)組模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算得到的功率曲線，主要在早期的機(jī)組招投標(biāo)中有采用。
（2）動(dòng)態(tài)功率曲線：考慮風(fēng)速的變化，對(duì)機(jī)組模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算得到的功率曲線，動(dòng)態(tài)功率曲線考慮了風(fēng)速變化時(shí)機(jī)組控制系統(tǒng)的響應(yīng)，并且可針對(duì)不同的環(huán)境條件計(jì)算出相應(yīng)的功率曲線。相比于穩(wěn)態(tài)功率曲線，能夠更準(zhǔn)確的反應(yīng)機(jī)組在實(shí)際環(huán)境條件下的發(fā)電性能，在目前的機(jī)組招投標(biāo)中有不少采用該類功率曲線。
（3）測(cè)試功率曲線：由具有資質(zhì)的第三方試驗(yàn)室，按照相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)開展功率曲線測(cè)試，并出具第三方功率曲線測(cè)試報(bào)告。由于理論功率曲線通常由設(shè)備廠商計(jì)算提供，真實(shí)性難以保證，而測(cè)試報(bào)告具有客觀性，因此目前在機(jī)組招投標(biāo)中也有直接采用測(cè)試功率曲線或?qū)y(cè)試功率曲線作為評(píng)價(jià)參考的。
機(jī)組發(fā)電量估算時(shí)應(yīng)采用什么樣的功率曲線是一個(gè)復(fù)雜的問題，本文將先從測(cè)試功率曲線本身的不確定度以及不同場(chǎng)址環(huán)境條件對(duì)功率曲線的影響進(jìn)行分析，以說明為什么測(cè)試功率曲線不能直接用于擬建風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組發(fā)電量分析。
2.功率曲線測(cè)試不確定性分析
測(cè)量不確定度是測(cè)試結(jié)果包含的一個(gè)參數(shù)，用以表征測(cè)量值的分散性。不確定度越小，測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量越高，使用價(jià)值越大。功率曲線測(cè)試通過對(duì)功率和風(fēng)速的測(cè)量，得到不同風(fēng)速下機(jī)組的發(fā)電功率。因此功率曲線測(cè)試的不確定度來自以下幾個(gè)方面，測(cè)試數(shù)據(jù)同步、功率的測(cè)量、風(fēng)速的測(cè)量、其它環(huán)境條件的干擾。
2.1測(cè)試數(shù)據(jù)同步
目前的測(cè)試結(jié)果以10分鐘的平均值作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，而現(xiàn)有采集器的同步校時(shí)能力可保證采集數(shù)據(jù)的同步性達(dá)到秒級(jí)，因此測(cè)試數(shù)據(jù)的同步性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響極小，約在千分之一量級(jí)，一般可不予考慮。
2.2功率的測(cè)量
目前功率的測(cè)試相對(duì)較為簡(jiǎn)單且設(shè)備的可靠性較好，通常只需要在并網(wǎng)端接上檢定過的功率變送器即可，其采集的功率數(shù)值不確定度很低（低于0.5%），因此在整個(gè)測(cè)試中功率數(shù)據(jù)的采集結(jié)果是相當(dāng)可靠的。
2.3風(fēng)速的測(cè)量
風(fēng)速的測(cè)量是整個(gè)功率曲線測(cè)試的瓶頸，IEC61400-12功率曲線測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)有3個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)，后兩個(gè)都是針對(duì)風(fēng)速測(cè)量的，隨后可能會(huì)有更多的子標(biāo)準(zhǔn)制定，來指導(dǎo)風(fēng)速測(cè)量。目前風(fēng)速測(cè)量對(duì)功率特性測(cè)試結(jié)果的影響很大，主要有以下幾個(gè)方面。
2.3.1不能在機(jī)位處直接進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量
風(fēng)速測(cè)量時(shí)，我們期望測(cè)試到機(jī)組前方未受影響的自由流風(fēng)速。但機(jī)組工作時(shí)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)機(jī)組前方的自由流風(fēng)速帶來影響，為減少該影響，測(cè)風(fēng)設(shè)備需要遠(yuǎn)離機(jī)組。但我們又期望測(cè)風(fēng)設(shè)備測(cè)試的風(fēng)速能夠足夠代表機(jī)組前方的自由流風(fēng)速，為此又需要測(cè)風(fēng)設(shè)備離機(jī)組不是太遠(yuǎn)。這是兩種互相矛盾的需求。
目前IEC61400-12要求測(cè)風(fēng)設(shè)備（測(cè)風(fēng)塔）距離機(jī)組2~4倍的風(fēng)輪直徑（D），如圖1，并且推薦選擇2.5D是一個(gè)較為合適的距離。但即使如此，按照IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)，2.5D距離在平坦地形導(dǎo)致的氣流畸變而引起的風(fēng)速測(cè)量誤差也有2%。對(duì)于復(fù)雜地形，這個(gè)測(cè)量誤差會(huì)更大，因此復(fù)雜地形的風(fēng)速測(cè)量需要做場(chǎng)地標(biāo)定修正，來降低這個(gè)誤差，但場(chǎng)地標(biāo)定修正的引入最終會(huì)導(dǎo)致總的不確定度相對(duì)平坦地形更大。
2.3.2測(cè)風(fēng)設(shè)備的精度
除了場(chǎng)地畸變引起的風(fēng)速偏差，測(cè)風(fēng)儀器的精度也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大的影響。目前大多數(shù)測(cè)風(fēng)是通過安裝風(fēng)杯式測(cè)風(fēng)儀的測(cè)風(fēng)塔來進(jìn)行。國內(nèi)計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)現(xiàn)行的針對(duì)風(fēng)杯式風(fēng)速儀的檢定方法，主要考慮了其氣象測(cè)風(fēng)的用途，未考慮其功率曲線測(cè)試的用途，因此，沒有按照功率曲線測(cè)試的要求對(duì)風(fēng)杯式風(fēng)速儀進(jìn)行檢定，但兩者的精度要求不同，后者要求更高。而這個(gè)檢定帶來的誤差同樣會(huì)傳遞至整個(gè)風(fēng)速的測(cè)量。此外，風(fēng)速計(jì)的測(cè)量精度還受不同的風(fēng)速、入流角、湍流度等影響，這將作為風(fēng)速計(jì)運(yùn)行特性予以考慮。按照IEC61400-12標(biāo)準(zhǔn)，即便采用按照功率曲線測(cè)試要求進(jìn)行檢定后的風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)風(fēng)，測(cè)風(fēng)設(shè)備的精度的誤差一般仍有1%~3%。
2.3.3風(fēng)速對(duì)功率的敏感系數(shù)
風(fēng)速測(cè)量對(duì)功率曲線的影響，除了本身的不確定較大外，還有一個(gè)重要因素是風(fēng)速對(duì)功率的敏感系數(shù)很大。兩個(gè)變量之間的敏感系數(shù)為兩個(gè)變量變化量的比值，即局部斜率，具體計(jì)算公式如式（1）：
其中Pi為第i個(gè)區(qū)間的功率, Vi為第i個(gè)區(qū)間的風(fēng)速
注：式（1）用的是向前差分的方式，也可以使用向后差分或者中心差分的方式。
由于風(fēng)能和風(fēng)速為3次方關(guān)系，在功率達(dá)到額定前，該敏感系數(shù)可達(dá)3左右。因此，風(fēng)速的測(cè)量誤差在中低風(fēng)速段反映到功率上，將會(huì)擴(kuò)大3倍。
2.4標(biāo)準(zhǔn)給出的不確定度分析內(nèi)容
除了本節(jié)提到的三個(gè)帶來不確定度的因素，表1是參考IEC61400-12-1標(biāo)準(zhǔn)整理的風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試中不同測(cè)量量本身的不確定度以及其對(duì)功率的敏感系數(shù)。
（1）表中給出的不確定度均為標(biāo)準(zhǔn)不確定度，即以測(cè)量結(jié)果一倍標(biāo)準(zhǔn)差表示的測(cè)量結(jié)果不確定度。若假定偏差服從正態(tài)分布，則測(cè)試結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的偏差在標(biāo)準(zhǔn)不確定度內(nèi)的概率約為68.2%；需要說明的是：
（2）本表將測(cè)試的不確定度轉(zhuǎn)化為相對(duì)形式，以更為直觀，并有助于方便計(jì)算；
（3）不確定度分類A和B表示兩種不確定度評(píng)定的方式：A類是指通過測(cè)試結(jié)果推算的不確定度（一般評(píng)定隨機(jī)誤差），B類包含評(píng)定人員的經(jīng)驗(yàn)和不確定的傳遞（一般評(píng)定系統(tǒng)誤差）。此處測(cè)試功率值用A類方法進(jìn)行評(píng)定，其標(biāo)準(zhǔn)值為功率結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差；
（4）由于本表內(nèi)的各項(xiàng)不確定度彼此獨(dú)立，最終合成不確定度，為各項(xiàng)的平方和的開方。
從表1可以看出，功率曲線測(cè)試的不確定度主要來自于風(fēng)速測(cè)量的不確定度，風(fēng)速不確定度幾乎可以代表整個(gè)測(cè)試結(jié)果的不確定度，因此目前的功率曲線測(cè)試功率值在單個(gè)風(fēng)速下的不確定度可達(dá)7%~15%。
理論年發(fā)電量計(jì)算公式如下：
其中，W理論年發(fā)電量
Pi第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間的功率值
f（Vi）第i個(gè)風(fēng)速區(qū)間的持續(xù)時(shí)間
從公式可以看出理論發(fā)電量（不考慮折減）主要受功率曲線和風(fēng)速分布影響，我們采用6m/s-7.5m/s下的風(fēng)速分布和常規(guī)2MW的功率曲線，進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算后，可以得到最終發(fā)電量估算的不確定度約為4%~10%。
