淺析丨風(fēng)電機(jī)組功率曲線問題及爭(zhēng)議

提高風(fēng)電機(jī)組效率、降低度電成本是業(yè)內(nèi)人士的共同愿望，但過度強(qiáng)調(diào)機(jī)組效率，而忽視機(jī)組遠(yuǎn)期故障幾率、部件損壞及長(zhǎng)期度電成本，必然會(huì)顧此失彼，得到與初衷相反的效果。因業(yè)主對(duì)功率曲線的“嚴(yán)格”要求，國內(nèi)不少本該出保的風(fēng)電場(chǎng)，因功率曲線問題的分歧和爭(zhēng)議，遲遲未能出保，該付的款項(xiàng)沒有得到應(yīng)有的支付。為了出保，廠家不得不在生成功率曲線的各個(gè)環(huán)節(jié)上作文章。為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝，有的廠家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)功率曲線甚至進(jìn)行了大膽的修飾，良莠不齊的功率曲線論證公司也應(yīng)運(yùn)而生。因此，不少功率曲線的真實(shí)性及論證的合理性值得懷疑。

風(fēng)能利用技術(shù)與提高機(jī)組效率

所謂功率曲線就是以風(fēng)速(Vi)為橫坐標(biāo)，以有功功率Pi為縱坐標(biāo)的一系列規(guī)格化數(shù)據(jù)對(duì)(Vi，Pi)所描述的特性曲線。在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度(ρ=1.225kg/m?)的條件下，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線稱風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。

風(fēng)能利用系數(shù)是指葉輪吸收的能量與整個(gè)葉輪平面上所流過風(fēng)能的比值，用Cp表示，是衡量風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中吸收的能量的百分率。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.593，風(fēng)能利用系數(shù)大小與葉尖速比和槳葉節(jié)距角有關(guān)系。

翼型升力和阻力的比值稱升阻比。只有當(dāng)升阻比和尖速比都趨近于無窮大時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)才能趨近于貝茲極限。實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的升阻比和尖速比都不會(huì)趨近于無窮大。實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)不可能超過相同升阻比和尖速比的理想風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)。采用理想的葉片結(jié)構(gòu)，當(dāng)升阻比低于100時(shí)，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)不可能超過0.538。

水平軸風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)葉片幾何外形(包括葉片個(gè)數(shù)、弦長(zhǎng)及扭角分布、截面翼型形狀等)，目的是獲得最佳風(fēng)能利用系數(shù)和最大年發(fā)電量，同時(shí)降低葉片載荷。而這三個(gè)目的有時(shí)會(huì)發(fā)生矛盾。與理想風(fēng)電機(jī)組不同，除升阻比只能為有限值外，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組還要考慮兩個(gè)現(xiàn)實(shí)問題：

1、考慮有限葉片數(shù)造成的功率損失。有限葉片數(shù)對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)影響的計(jì)算過程比較復(fù)雜，這里僅給出部分計(jì)算結(jié)果。對(duì)于理想葉片形狀，在升阻比為100時(shí)，尖速比只有在6-10的范圍內(nèi)，有限葉片風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)才有可能微微超過0.500，如果升阻比下調(diào)到100以內(nèi)的實(shí)用區(qū)，功率損失會(huì)更大。

2、理想葉片的形狀十分復(fù)雜，難以加工制造，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的葉片必然采用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。另外在考慮葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)、變形、離心剛化和氣動(dòng)阻尼作用，以及考慮機(jī)組成本、年輸出功率等問題時(shí)都會(huì)對(duì)葉片形狀提出其他方面的要求，這又會(huì)進(jìn)一步降低風(fēng)能利用系數(shù)。

有限葉片數(shù)造成的功率損失是無法避免的，葉片的易加工性、成本、強(qiáng)度、振動(dòng)等諸多導(dǎo)致風(fēng)能利用系數(shù)降低的實(shí)際問題也是必須考慮的因素。綜合理論計(jì)算和對(duì)實(shí)際問題的分析，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)難以超過0.500。

為了計(jì)算簡(jiǎn)便，在實(shí)際Cp值折算時(shí)，常把機(jī)組發(fā)電功率視為葉輪所吸收的風(fēng)能。由于以下幾方面的原因：機(jī)組轉(zhuǎn)速只能在運(yùn)行風(fēng)速內(nèi)的部分風(fēng)速段較準(zhǔn)確地跟蹤葉尖最佳速比;變槳、偏航、部件冷卻等機(jī)組有自耗電;因風(fēng)能資源的復(fù)雜多變，實(shí)際機(jī)組不可能準(zhǔn)確對(duì)風(fēng);當(dāng)葉輪吸收能量后，還必須通過機(jī)組諸多部件(如：齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器等)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，當(dāng)經(jīng)過這些部件時(shí)，必然有能量損失。因此，在不同風(fēng)速下，由實(shí)際發(fā)電功率計(jì)算出來的Cp值會(huì)更低，有不少風(fēng)速段的Cp值遠(yuǎn)低于0.5。

國外有個(gè)別廠家為了提高實(shí)際機(jī)組效率，在葉片輪轂的流線形狀、部件性能等多環(huán)節(jié)進(jìn)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(jī)”，但是，因其設(shè)計(jì)和制造難度增大，勢(shì)必使機(jī)組的生產(chǎn)成本增加，投資回報(bào)時(shí)間延長(zhǎng)。

目前，國內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，用戶不僅在機(jī)組招標(biāo)時(shí)選擇功率曲線優(yōu)秀的機(jī)型，而且，在機(jī)組投運(yùn)后，不少業(yè)主還希望通過調(diào)整機(jī)組控制策略，提高機(jī)組效率和優(yōu)化功率曲線。然而，如不顧當(dāng)前的技術(shù)水平，忽視機(jī)組遠(yuǎn)期維護(hù)成本和故障幾率，片面地強(qiáng)調(diào)機(jī)組效率，勢(shì)必使機(jī)組長(zhǎng)期度電成本增加，最終，必然是得不償失。

就風(fēng)電機(jī)組的控制算法而言，目前尚未有集所有優(yōu)點(diǎn)于一體的控制算法。設(shè)計(jì)高性能的風(fēng)電機(jī)組控制策略需針對(duì)具體風(fēng)能環(huán)境，兼顧控制成本和控制目的，最大限度地量化控制指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化功率曲線時(shí)，應(yīng)兼顧部件及機(jī)組壽命、故障幾率以及機(jī)組自耗電等，例如：把低風(fēng)速段不變槳且輪轂處于休眠狀態(tài)的控制方式修改為小風(fēng)調(diào)槳的控制策略，從原理上講，這的確可使低風(fēng)速段的葉輪Cp值增加，必然使輪轂部件的工作時(shí)間大大增加，機(jī)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(jī)型時(shí)，應(yīng)考慮機(jī)組的綜合性能。例如：機(jī)組使用方便，遠(yuǎn)期維護(hù)和維修成本低，絕大部分故障可通過遠(yuǎn)程進(jìn)行檢查和診斷等;在優(yōu)化功率曲線提高機(jī)組效率時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種因素，避免對(duì)機(jī)組部件壽命和長(zhǎng)期維護(hù)成本造成不良影響，獲得更優(yōu)的度電成本。

用風(fēng)能系數(shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)(理論)功能曲線的真實(shí)性

由上面分析可知，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)一般不超過0.5，因此，通過標(biāo)準(zhǔn)(理論)功率曲線換算出的風(fēng)能利用系數(shù)，可以較為簡(jiǎn)便地核實(shí)標(biāo)準(zhǔn)(理論)功率曲線的真實(shí)性。

表1、表2分別示出了某國產(chǎn)和國外品牌1.5MW和2.0MW機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算出的風(fēng)能利用系數(shù)。國產(chǎn)機(jī)組在1.8m/s和2m/s的風(fēng)能利用系數(shù)均超過0.8，4m/s-6m/s風(fēng)能利用系數(shù)超過0.6。如是理論功率曲線，則已超過了貝茲極限，其真實(shí)性值得懷疑;如為實(shí)測(cè)，應(yīng)是測(cè)量偏差或其他原因造成。而國外機(jī)組在不同風(fēng)速下由功率曲線換算出的風(fēng)能利用系數(shù)，則較符合風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律與控制特性。

表1、1.5MW機(jī)組功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算的風(fēng)能利用系數(shù)

表2、2.0MW機(jī)組功率曲線數(shù)據(jù)以及根據(jù)發(fā)電功率折算的風(fēng)能利用系數(shù)

注：表1、表2中，計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)時(shí)，機(jī)組的發(fā)電功率視為了葉輪所吸收的電功率，因此，得到的Cp值比葉輪風(fēng)能利用系數(shù)值低。