风电机组实际运行功率曲线影响因素分析

　　风电机组串列布置是指下游风电机组风轮旋转轴线与上游风电机组风轮旋转轴线重合的情况。图8 是用AV 尾流模型计算处在尾流区不同截面上的风电机组风轮功率系数曲线[1]。

图8 串列布置时尾流区风电机组风轮功率系数[1]

　　由图可知：
　　在x/D=4 时，计算达到的最大风轮功率系数为没有尾流影响的45% 左右；
　　在x/D=6 时，为65% 左右；在x/D=8 时，为75% 左右；在x/D=16 时，为97% 左右，尾流影响基本可以忽略[1]。
　　图9 为现场实拍风电机组受尾流影响照片。上游风电机组对下游风电机组的影响不断扩大，越是下游的风电机组其受影响程度越深。

图9 实拍风电机组尾流场景

　　图10 为某风电场的风电机组呈串列布置后，上游风电机组对下游风电机组功率的影响。西风（255°－ 285°），风速8m/s － 9m/s，风电机组的间隔距离为500m。从图中可以看出，由于尾流的影响, 降低了风电机组的发电功率，从而减少了发电量，也影响了风电机组的功率曲线。

图10 上游风电机组尾流对下游风电机组的影响

　　2.8 风电机组对风偏差对功率曲线的影响
　　图11 给出了不同风轮对风偏差角度的风轮功率系数曲线。由图可知：有对风偏差角时，由于垂直于风轮的来流速度减小，使风轮功率系数减小，当对风偏差在±15°时，风轮功率系数约减小10%。对风偏差角越大，风轮功率系数减小越多[1]。

图11 不同风轮对风偏差角度的风轮功率系数曲线[1]

　　为了提高风电机组的效率，需要进行跟风偏航。较小的对风偏差角度有利于提高风电机组的发电效率，但是由于风和风电机组的特点，只有在风轮与风向偏差较大时，风电机组才进行偏航。
　　一方面，由于风向可以在瞬间变化，风轮的惯性很大。因此，风电机组难以跟上风向的变化，在一定的风向偏差范围内风电机组不进行偏航。也就是说，风电机组在一定的风向范围内“以不变应万变”；另一方面，大型风电机组为了避免频繁偏航调向的交变载荷对结构疲劳强度的影响，通常在控制系统设计时，设定大于15°时，风电机组进行偏航对风[1]。
　　按照Repower 厂家的控制系统偏航参数设置，在风速小于6m/s 时，风电机组对风偏差不超过±16°，风电机组不进行偏航，机头与风向的偏差角度在16°与25°之间，且时间超过120s，风电机组才执行对风偏航；当风速大于7m/s 时，风向相对较为稳定，这时偏航的角度和时间设置较小。按照Repower 厂家的参数设置，对风的偏差角度超过±8°，且时间超过60s，风电机组执行对风偏航。
　　实际风电机组偏航的频繁程度，由风电机组所处风况以及控制器设置的参数决定。在低风速段且风电机组发电功率较小时，偏航电机耗电占发电功率的比例较高，偏航的频繁程度也是影响风电机组实际运行功率曲线的一个重要因素。
　　因此，从风场的实际情况来看，风电机组不能跟上风向是绝对的，能对上风是相对的，风电机组的机头方向与风向总会有一定的偏差。图12 是因对风偏差造成风电机组叶轮风能利用系数降低、效率下降的情况，影响风电机组的实际运行功率曲线。

图12 对风偏差角度与风电机组的效率

　　2.9 机型对实际运行功率曲线的影响
　　风电机组的机型不同，在同等条件下，形成的风电机组实际运行功率曲线不同。
　　2.9.1 变速变桨恒频与定桨失速风电机组
　　定桨距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变。即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。
　　失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，限制发电机的功率输出。因此，当风速大于满负荷发电风速时，随着风速的增加，风电机组的发电功率减小，如图4（a）所示。
　　变桨距是指安装在叶轮上的叶片可以通过控制改变其桨距角的大小。当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。因此，风电机组在满负荷发电风速以后，通过控制稳定风电机组的功率，风电机组的功率不会随风速的变化而变化，如图4（b）所示。
　　2.9.2 变桨恒频直驱风电机组与变桨恒频双馈风电机组
　　直驱风电机组没有运行转速的下限，从原理上讲，直驱风电机组的切入风速可以更低，没有齿轮箱，消除了齿轮箱的耗能，双馈机组工作于亚同步时，转子励磁需要从电网吸收少量的能量，永磁直驱不需要励磁，减少了能耗。
　　因此，一般情况下，直驱风电机组在低风速段功率曲线较好。
　　直驱风电机组需要全功率变频，所使用的是全功率变频器，在功率较高时，变频器的耗能较大，变频器的功率原件与冷却设备耗能比双馈机组大得多，而双馈机组采用的是部分功率变频技术。一般情况下，在较高风速段到满发风速之前，双馈机组的功率特性较好。
　　2.10 形成功率曲线的环节造成功率曲线差异
　　实际功率曲线要受到很多外界因素和条件的影响。因此，IEC 61400 － 12 － 1: 2005 《Wind turbinegenerator systems － Part 12: Wind turbine powerperformance testing》对风电机组功率特性的测试条件作了详尽的规定和限制。