风电场发电量计算功率曲线选择方法之一 —— 测试功率曲线不宜直接使用-北极星风力发电网

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1.引言

风电场开发过程中，在设备招投标阶段，风电机组选型是其中最重要的工作之一。为了保证风电场运营期的收益，机组选型时除了关注必须考虑的机组安全性和可靠性以外，机组发电性能好坏就成为另一个关注的焦点。通常在机组选型时希望根据机组功率曲线和拟建风电场的实际环境条件对风电场机组发电量进行足够准确的估算，这样不仅有利于进行准确的投资收益分析，同时也有利于更客观、公正、科学地开展机组选型，遴选出最适合于拟建项目的风电机组。

目前，国内用于招投标阶段机组发电量估算的功率曲线并不统一，可以分为理论功率曲线和实测功率曲线两大类，其中理论功率曲线又包括稳态功率曲线和动态功率曲线两种，具体如下：

（1）稳态功率曲线：假定风速不变，对机组模型进行稳态仿真计算得到的功率曲线，主要在早期的机组招投标中有采用。

（2）动态功率曲线：考虑风速的变化，对机组模型进行动态仿真计算得到的功率曲线，动态功率曲线考虑了风速变化时机组控制系统的响应，并且可针对不同的环境条件计算出相应的功率曲线。相比于稳态功率曲线，能够更准确的反应机组在实际环境条件下的发电性能，在目前的机组招投标中有不少采用该类功率曲线。

（3）测试功率曲线：由具有资质的第三方试验室，按照相关的测试标准开展功率曲线测试，并出具第三方功率曲线测试报告。由于理论功率曲线通常由设备厂商计算提供，真实性难以保证，而测试报告具有客观性，因此目前在机组招投标中也有直接采用测试功率曲线或将测试功率曲线作为评价参考的。

机组发电量估算时应采用什么样的功率曲线是一个复杂的问题，本文将先从测试功率曲线本身的不确定度以及不同场址环境条件对功率曲线的影响进行分析，以说明为什么测试功率曲线不能直接用于拟建风电场机组发电量分析。

2.功率曲线测试不确定性分析

测量不确定度是测试结果包含的一个参数，用以表征测量值的分散性。不确定度越小，测量结果的质量越高，使用价值越大。功率曲线测试通过对功率和风速的测量，得到不同风速下机组的发电功率。因此功率曲线测试的不确定度来自以下几个方面，测试数据同步、功率的测量、风速的测量、其它环境条件的干扰。

2.1测试数据同步

目前的测试结果以10分钟的平均值作为数据分析的基础，而现有采集器的同步校时能力可保证采集数据的同步性达到秒级，因此测试数据的同步性对测试结果的影响极小，约在千分之一量级，一般可不予考虑。

2.2功率的测量

目前功率的测试相对较为简单且设备的可靠性较好，通常只需要在并网端接上检定过的功率变送器即可，其采集的功率数值不确定度很低（低于0.5%），因此在整个测试中功率数据的采集结果是相当可靠的。

2.3风速的测量

风速的测量是整个功率曲线测试的瓶颈，IEC61400-12功率曲线测试标准目前已经有3个子标准，后两个都是针对风速测量的，随后可能会有更多的子标准制定，来指导风速测量。目前风速测量对功率特性测试结果的影响很大，主要有以下几个方面。

2.3.1不能在机位处直接进行风速测量

风速测量时，我们期望测试到机组前方未受影响的自由流风速。但机组工作时，风轮的旋转会对机组前方的自由流风速带来影响，为减少该影响，测风设备需要远离机组。但我们又期望测风设备测试的风速能够足够代表机组前方的自由流风速，为此又需要测风设备离机组不是太远。这是两种互相矛盾的需求。

目前IEC61400-12要求测风设备（测风塔）距离机组2~4倍的风轮直径（D），如图1，并且推荐选择2.5D是一个较为合适的距离。但即使如此，按照IEC61400-12标准，2.5D距离在平坦地形导致的气流畸变而引起的风速测量误差也有2%。对于复杂地形，这个测量误差会更大，因此复杂地形的风速测量需要做场地标定修正，来降低这个误差，但场地标定修正的引入最终会导致总的不确定度相对平坦地形更大。

2.3.2测风设备的精度

除了场地畸变引起的风速偏差，测风仪器的精度也会对测试结果有很大的影响。目前大多数测风是通过安装风杯式测风仪的测风塔来进行。国内计量检定机构现行的针对风杯式风速仪的检定方法，主要考虑了其气象测风的用途，未考虑其功率曲线测试的用途，因此，没有按照功率曲线测试的要求对风杯式风速仪进行检定，但两者的精度要求不同，后者要求更高。而这个检定带来的误差同样会传递至整个风速的测量。此外，风速计的测量精度还受不同的风速、入流角、湍流度等影响，这将作为风速计运行特性予以考虑。按照IEC61400-12标准，即便采用按照功率曲线测试要求进行检定后的风速仪进行测风，测风设备的精度的误差一般仍有1%~3%。

2.3.3风速对功率的敏感系数

风速测量对功率曲线的影响，除了本身的不确定较大外，还有一个重要因素是风速对功率的敏感系数很大。两个变量之间的敏感系数为两个变量变化量的比值，即局部斜率，具体计算公式如式（1）：

其中Pi为第i个区间的功率, Vi为第i个区间的风速

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。

由于风能和风速为3次方关系，在功率达到额定前，该敏感系数可达3左右。因此，风速的测量误差在中低风速段反映到功率上，将会扩大3倍。

2.4标准给出的不确定度分析内容

除了本节提到的三个带来不确定度的因素，表1是参考IEC61400-12-1标准整理的风电机组功率曲线测试中不同测量量本身的不确定度以及其对功率的敏感系数。

（1）表中给出的不确定度均为标准不确定度，即以测量结果一倍标准差表示的测量结果不确定度。若假定偏差服从正态分布，则测试结果与真实结果的偏差在标准不确定度内的概率约为68.2%；需要说明的是：

（2）本表将测试的不确定度转化为相对形式，以更为直观，并有助于方便计算；

（3）不确定度分类A和B表示两种不确定度评定的方式：A类是指通过测试结果推算的不确定度（一般评定随机误差），B类包含评定人员的经验和不确定的传递（一般评定系统误差）。此处测试功率值用A类方法进行评定，其标准值为功率结果的标准差；

（4）由于本表内的各项不确定度彼此独立，最终合成不确定度，为各项的平方和的开方。

从表1可以看出，功率曲线测试的不确定度主要来自于风速测量的不确定度，风速不确定度几乎可以代表整个测试结果的不确定度，因此目前的功率曲线测试功率值在单个风速下的不确定度可达7%~15%。

理论年发电量计算公式如下：

其中，W理论年发电量

Pi第i个风速区间的功率值

f（Vi）第i个风速区间的持续时间

从公式可以看出理论发电量（不考虑折减）主要受功率曲线和风速分布影响，我们采用6m/s-7.5m/s下的风速分布和常规2MW的功率曲线，进行发电量计算后，可以得到最终发电量估算的不确定度约为4%~10%。

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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