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大型风力发电机组功率曲线综述崔巍 高奇峰 （上海申能新能源投资有限公司）摘要：大型风力发电机组功率曲线是考核机组性能的一项重要指标，但在实际运行过程中，由于现场自热风风速、风向变化的不确定性，给准确测取风力发电机组的功率曲线带来困难因此，借助空气动力学、物体动能力学等相关理论来分析风力发电机组功率曲线生成的方法并讨论实测功率曲线与理论功率曲线的偏差点及原因特别是调整功率曲线的生成参数及理论计算对功率曲线进行风速和空气密度的修正，以提高理论功率曲线的精确度以及与实测功率曲线的可比性关键词：风力发电机组；性能；功率曲线；风速；空气密度1、 引言当前全国风力发电事业蓬勃发展，众多实力雄厚的大公司正在投资或准备投资建设大型风力发电场，面对国际国内纷乱复杂风力发电产品在引进设备的过程中，要特别注意机组的性能，对功率曲线的考核，应着眼于精确性与标准性2、功率曲线的定义所谓功率曲线就是风力发电机组输出功率随风速变化的曲线关系，是风力发电机组的设计依据，也是考核机组性能、评估发电能力的一项重要指标在风力发电机组的设计过程中，需要对风力发电机组的性能做出评估，需要对风力发电机组的功率曲线进行设计仿真，这样的得到的功率曲线可以称之为理论功率曲线或设计功率曲线；根据所用风速模型的不同又可分为静态功率曲线和动态功率曲线。

风轮、发电机、齿轮箱设计传动比以及各部件设定参数从而产生的各种效率都会为最终的发电功率产生影响3、功率曲线的计算与分析对于风力发电机组的功率曲线的计算是一个比较复杂的过程，需要对机组的实际运行情况进行较长时间的观测，记录的数据包括风速、大气压力、空气密度以及环境温度、地形等，然后换算成标准值和经验值，对测得的功率进行纠差与修正，再对修正后的数据进行分组、统计，最后绘制出比较精确的功率曲线趋势图在这之前要首先了解几项参数及其定义：要了解风力发电机组的功率是如何计算的，它的计算公式可以表示为：P=12CPAρV3η P为风轮输出功率 CP为风轮功率系数 A为风轮扫掠面积 ρ为空气密度 V为风速 η为机组效率 是风机机械效率与风机电功率效率的乘积其次从上述公式中可以看出风的功率与速度的三次方成正比如果风速增加一倍，风的功率便增加八倍这是一个很重要的概念上述公式中还有一个比较重要的参数就是风功率系数CP，其定义就是风轮吸收的能量与总能量之比，叶尖速比λ与桨距角β是它的重要参数叶尖速比是叶尖的圆周旋转速度与风速的比值功角是叶片的翼弦与气流速度矢量v的夹角。

在实际的风轮旋转过程中，接近风力发电机前的空气动能是不可能全部被风轮的叶片吸收，否则风轮后的空气就不流动了，空气流动是不可能完全停止的，所以CP总是小于1的那么CP的取值范围到底是多少呢？在这里就必须引入一个贝兹极限理论的概念这个理论是一个假想理论：假设风轮是一个圆盘（叶片无数多，空气没有摩擦和黏性的，流过风轮的气流是均匀的，且垂直于风轮旋转平面，气流可以看作是不可压缩的，利用动量理论、气流冲量原理、导入轴向干扰因子a, 经过一系列的积分公式推算可以得出CPmax=1627，也就是59%，这表明在最理想的情况下接近风力发电机前的空气动能经过风轮旋转被风轮吸收的最大能量为它的59.3%，这就是贝兹极限理论而在实际运行过程中，考虑到风机自身条件的限制以及天气客观的影响，CP最高取值为0.43，这是因为对于变速变桨风力发电机组在运行过程中通过改变叶片只有三片、且是靠桨距角（0°-90°）来调节风机的受风面积以达到风轮转速，以达到限制输出功率的目的也就是说风轮的输出功率或者是吸收风能的能量与叶尖速比存在一定的关系，根据现场实际运行及相关试验可以看出在额定底风速下由于风机发电机恒定转速不变，风速在小风区间风机发电功率不高，虽然叶尖速比在10-13之间，但是利用风能系数很低。

在额定满发风速下，风机输出功率达到最大，叶尖速比在5—6之间此时风机的出率最大，风能利用系数最高在风速超过满发额定风速时，由于叶片本身最大迎风角度已接近0度，叶尖速比持续降低以3.6MW风机为参考对象、最大极限风速25m/s为例，此时叶尖速度可以达到88米/s，此时的叶尖速比仅为3.52所以对于变速恒频风力发电机的功率曲线而言它是由一系列的在标定好的额定风速下通过上述功率曲线计算公式的取值点集合按照顺序连接而成自然界的风速是变化随机的，在切入风速到额定风速再到切出风速的范围内按照设定的风速等级，得到对应风速下最佳的叶尖速比和功率评价风力发电机组的性能的优劣，应该比较在切入风速到切出风速的范围内各风速下输出功率的大小一个机组的好坏，不应仅仅从功率曲线来判断，还应结合机组安装的风场情况来具体分析风力发电机组功率曲线的关键取决于风轮、叶片的气动设计和机组的设计控制策略所以针对机组实际运行的外部条件，需要调整桨叶的安装角（叶片与轮毂的锥角）以及控制策略的优化等工作，才能使机组在更好的状态下，达到最大的发电量4、风力发电机组功率曲线的偏差风速取值的偏差：对于风力发电机组现场来说，自然风速和风向的不确定性，特别是沿海地区、山地地区风况极为复杂。

国际能源署（IEA）规定，测风仪应装于风力发电机前，距离为2-8倍风轮直径，高度与风机轮毂相同一般水平轴发电机组的机舱尾部都装有风速计，风力发电机组在运行过程中其计算机根据这个风速及其相应的输出功率的动态采样，自动绘制生成该区的功率曲线但是现有风力发电机上安装的风速计所测得的风速是来风在风轮上做功后气流流速降低的风速，所以用该风速绘制的功率曲线存在较大偏差风通过风轮后风速降低是因为来风损失了动能而风轮获得了机械能，根据能量守恒定律，通过风轮后的气流流速应该降低也就是说目前国内厂家普遍所提供的功率曲线中的风速比风轮实际受风风速要小，这一方面是受现场实际风机安装条件的限制，另一方面笔者认为便于厂家自身夸大风机的设计性能所以笔者认为在厂家提供的理论功率曲线中的额定风速应该按照上诉贝兹极限理论的概念中对于风速的定义：风通过风轮的风速（实际切入风速）V1等于风轮前的风速V0加上风轮后的风速V2的和再除以2即： V1=12（V0+V2）通过输入次数据，计算机生成比较精确的理论功率曲线图空气密度的取值偏差：风力发电机组的输出功率与空气密度成正比，风机轮毂高度空气密度ρ在不同高度、不同温度、不同湿度、不同气压等情况下都是不一样的。

其计算公式为： ρ =1.2671+0.00366t×p-0.378e1000 P为气压 t为气温 e为水气压而国内风机生产厂家在设计理论功率曲线时只是简单在标准条件下（海平面高度0米、温度为15摄氏度、大气压力为101.33kPa）来取值空气密度，其取值为ρ=1.225kg/m3,这显然太过草率，所取值的范围将与实测的功率曲线产生严重偏差所以在设计理论功率曲线的测量和计算时，必须安装大气压力和温度传感器，对与大气压力和温度的平均值作长期连续的累计记录在并在风场重新安装独立的标准测风塔（高度以风场风机轮毂高度为准）在每个功率平均值均可根据与大气压力、大气温度相关的空气密度状况来修正这也就是说，为了得到真实的在轮毂高的下 、不同温度下、不同大气压力下的空气密度，生产厂家可以提供多种不同条件下的功率曲线以便来验证风机最佳的性能理论功率曲线通过上述两种偏差原因的分析与解决办法通过计算机的仿真模拟所得出的理论功率曲线用来考核风机的实测功率曲线，相信可以比原来的理论功率曲线更加精准，用它来考核风机的实测发电功率曲线将更能进一步检验出风机发电性能。

5、结语本文简单介绍了风力发电机组功率曲线定义与作用，分析了影响功率曲线的各种因素、理论功率曲线与实测功率曲线的偏差与解决方法，在对具体的风场进行风机性能评估时，采用正确的参数修正，可以得到更可靠的结果。