淺析風電機組功率曲線問題及爭議

2018-04-27 來源：《風能》瀏覽數：3139

提高風電機組效率、降低度電成本是業內人士的共同愿望，但過度強調機組效率，而忽視機組遠期故障幾率、部件損壞及長期度電成本，必然會顧此失彼，得到與初衷相反的效果。因業主對功率曲線的“嚴格”要求，國內不少本該出保的風電場，因功率曲線問題的分歧和爭議，遲遲未能出保，該付的款項沒有得到應有的支付。為了出保，廠家不得不在生成功率曲線的各個環節上作文章。為了在激烈的市場競爭中取勝，有的廠家對標準功率曲線甚至進行了大膽的修飾，良莠不齊的功率曲線論證公司也應運而生。因此，不少功率曲線的真實性及論證的合理性值得懷疑。

　　風能利用技術與提高機組效率

　　所謂功率曲線就是以風速(Vi)為橫坐標，以有功功率Pi為縱坐標的一系列規格化數據對(Vi，Pi)所描述的特性曲線。在標準空氣密度(ρ=1.225kg/m?)的條件下，風電機組的輸出功率與風速的關系曲線稱風電機組的標準功率曲線。

　　風能利用系數是指葉輪吸收的能量與整個葉輪平面上所流過風能的比值，用Cp表示，是衡量風電機組從風中吸收的能量的百分率。根據貝茲理論，風電機組最大風能利用系數為0.593，風能利用系數大小與葉尖速比和槳葉節距角有關系。

　　翼型升力和阻力的比值稱升阻比。只有當升阻比和尖速比都趨近于無窮大時，風能利用系數才能趨近于貝茲極限。實際風電機組的升阻比和尖速比都不會趨近于無窮大。實際風電機組的風能利用系數不可能超過相同升阻比和尖速比的理想風電機組的風能利用系數。采用理想的葉片結構，當升阻比低于100時，實際風電機組的風能利用系數不可能超過0.538。

　　水平軸風電機組的氣動設計主要是設計葉片幾何外形(包括葉片個數、弦長及扭角分布、截面翼型形狀等)，目的是獲得最佳風能利用系數和最大年發電量，同時降低葉片載荷。而這三個目的有時會發生矛盾。與理想風電機組不同，除升阻比只能為有限值外，實際風電機組還要考慮兩個現實問題：

　　1、考慮有限葉片數造成的功率損失。有限葉片數對風能利用系數影響的計算過程比較復雜，這里僅給出部分計算結果。對于理想葉片形狀，在升阻比為100時，尖速比只有在6-10的范圍內，有限葉片風電機組的風能利用系數才有可能微微超過0.500，如果升阻比下調到100以內的實用區，功率損失會更大。

　　2、理想葉片的形狀十分復雜，難以加工制造，實際風電機組的葉片必然采用簡化結構。另外在考慮葉片結構強度、振動、變形、離心剛化和氣動阻尼作用，以及考慮機組成本、年輸出功率等問題時都會對葉片形狀提出其他方面的要求，這又會進一步降低風能利用系數。

　　有限葉片數造成的功率損失是無法避免的，葉片的易加工性、成本、強度、振動等諸多導致風能利用系數降低的實際問題也是必須考慮的因素。綜合理論計算和對實際問題的分析，實際風電機組的風能利用系數難以超過0.500。

　　為了計算簡便，在實際Cp值折算時，常把機組發電功率視為葉輪所吸收的風能。由于以下幾方面的原因：機組轉速只能在運行風速內的部分風速段較準確地跟蹤葉尖最佳速比;變槳、偏航、部件冷卻等機組有自耗電;因風能資源的復雜多變，實際機組不可能準確對風;當葉輪吸收能量后，還必須通過機組諸多部件(如：齒輪箱、發電機、變頻器等)進行能量轉化，當經過這些部件時，必然有能量損失。因此，在不同風速下，由實際發電功率計算出來的Cp值會更低，有不少風速段的Cp值遠低于0.5。

　　國外有個別廠家為了提高實際機組效率，在葉片輪轂的流線形狀、部件性能等多環節進行深入的研究和大的投入，制造出了最高Cp值超過0.5的“神機”，但是，因其設計和制造難度增大，勢必使機組的生產成本增加，投資回報時間延長。

　　目前，國內市場競爭激烈，用戶不僅在機組招標時選擇功率曲線優秀的機型，而且，在機組投運后，不少業主還希望通過調整機組控制策略，提高機組效率和優化功率曲線。然而，如不顧當前的技術水平，忽視機組遠期維護成本和故障幾率，片面地強調機組效率，勢必使機組長期度電成本增加，最終，必然是得不償失。

　　就風電機組的控制算法而言，目前尚未有集所有優點于一體的控制算法。設計高性能的風電機組控制策略需針對具體風能環境，兼顧控制成本和控制目的，最大限度地量化控制指標，實現多目標優化設計。在優化功率曲線時，應兼顧部件及機組壽命、故障幾率以及機組自耗電等，例如：把低風速段不變槳且輪轂處于休眠狀態的控制方式修改為小風調槳的控制策略，從原理上講，這的確可使低風速段的葉輪Cp值增加，必然使輪轂部件的工作時間大大增加，機組自耗電增加，部件壽命縮短，故障幾率增加。所以，這種修改未必可取。

　　因此，在選擇機型時，應考慮機組的綜合性能。例如：機組使用方便，遠期維護和維修成本低，絕大部分故障可通過遠程進行檢查和診斷等;在優化功率曲線提高機組效率時，應綜合考慮各種因素，避免對機組部件壽命和長期維護成本造成不良影響，獲得更優的度電成本。

　　用風能系數判斷標準(理論)功能曲線的真實性

　　由上面分析可知，現場機組的風能利用系數一般不超過0.5，因此，通過標準(理論)功率曲線換算出的風能利用系數，可以較為簡便地核實標準(理論)功率曲線的真實性。

　　表1、表2分別示出了某國產和國外品牌1.5MW和2.0MW機組的標準功率曲線數據以及根據發電功率折算出的風能利用系數。國產機組在1.8m/s和2m/s的風能利用系數均超過0.8，4m/s-6m/s風能利用系數超過0.6。如是理論功率曲線，則已超過了貝茲極限，其真實性值得懷疑;如為實測，應是測量偏差或其他原因造成。而國外機組在不同風速下由功率曲線換算出的風能利用系數，則較符合風電機組的運行規律與控制特性。