风电机组功率特性测试及测试方法描述

（一）一般要求

1）功率特性测试是为了提供功率特性曲线及预计风电机组年均发电量。

2）测量条件、所用仪器、标定及其分析方法应符合有关标准的规定，并在测试报告中予以说明。

（二）测试内容

1）场地标定；

2）功率；

3）风速、风向、大气压力、大气温度、空气密度和相对湿度；

4）风力发电机组运行状态参数。

（三）测试方法^[41]

风电机组功率特性测试的基本依据是国际电工标准《IEC61400-12-1：2005风电机组的功率性能测试》。

1.场地标定

（1）最大测量扇区

对风电机组进行功率特性测试时，风电机组处风速测量的准确性是至关重要的。通常，在风力发电机组附近要设立气象桅杆以确定风电机组的风速，尽管气象桅杆和风电机组这两处的风速是互相关联的，但试验场地的地形变化，特别是气流畸变的影响会引起在气象桅杆处和在风电机组处的风速不同，从而对风电机组的功率特性测试产生严重的影响。

IEC61400-12-1：2005对气象桅杆与风电机组的相对位置要求如图11-12所示。

图11-12 气象桅杆的最大测量允许扇区

（2）地形

IEC61400-12-1：2005还规定了试验场地必须满足的地形特征（见表11_-2），表中L为风力发电机组与气象桅杆之间的距离，H为机组轮毂高度，D为机组风轮直径。

表11-2 测试要求-地形变化

①数字为与扇区地形最吻合的平面与塔架基础平面的最大斜度。

②数字为塔架基础与扇区内单个地形点之间的连线与基础平面的最大斜度。

如果试验场地不满足表11-2的要求，那么需要对场地进行标定。

（3）场地标定原则

场地标定的原则是在最大测量允许扇区中排除以下两类区域：

1）气象桅杆受到测试风电机组、邻近且正在运行的风电机组或有影响障碍物的尾流影响的区域。

2）测试风电机组受到邻近且正在运行的风电机组或有影响障碍物的尾流影响的区域。

场地标定也要经过气象桅杆的数据采集、分析和不确定性评估的过程才能确定最终的测试扇区。

2.测试方案与设备安装

（1）测试方案

风电机组功率曲线是指风电机组的输出功率和风速的关系，主要的测量物理量为风电机组的输出功率和风电机组轮毂高度处的自由流风速。测量风向是为了剔除无效测量扇区内的风速数据；测量气温、气压是为了确定测试场地的空气密度，并将最终结果规格化至标准大气条件下；测量降雨量是为了区分测试持续期间内干和湿的周期；测量风力发电机组的状态是为了剔除风力发电机组非正常运行时的输出功率数据。为了测得这些物理量，构造风电机组功率特性测试的方案如图11-13所示。

除了上面所述的内容，数据采集系统还应能获得风电机组的电流、电压、功率等电量信号和控制系统的工作状态信号，在进行数据整合记录后，系统能将数据传送到远端计算机进行整理和分析^[42]。

（2）气象桅杆上设备的安装

气象桅杆上需要安装的设备有风速计、风向标、气压传感器、温度传感器、降雨量传感器、防雷保护设备等。

图11-13 风电机组功率特性测试系统

1—主风速计（其测量结果作为功率曲线中的风速值） 2—参考风速计（它的作用是和主风速计进行标定） 3—风向标（根据风向标的测量结果剔除无效测量扇区内的风速数据） 4—温度传感器 5—大气压力传感器 6—降雨量传感器 7—气象桅杆的防雷保护设备 8—数据采集系统的后备电源

风速测量的准确性对功率特性测试特别重要，因此在安装风速计时要注意以下几点：

1）风速计的高度应与风电机组轮毂中心高度相同，误差±2.5%以内；

2）风速计在使用之前必须进行标定；

3）风速计安装在气象桅杆的顶部，倾斜角不应大于2°，应使用倾斜计进行校验；

4）风速计不能受到其他传感器和防雷保护设备的干扰。

另外，IEC61400-12-1：2005标准对风速计的安装进行了详细的说明，其安装可采用两种方法，其具体的安装间距和要求如图11-14a、b所示。

3.测试方法

通常风电机组输出的发电量应等于某一时间段功率曲线对时间的积分值，表达式为

式中 Q——发电量；

P_i——i时刻的瞬时功率；

n——表示该时间段时间刻度数。

图11-14 风速计的安装

a）风速计并列安装 b）风速计顶部安装

P——瞬时功率的表达式，。

由于C_P能量转化系数实际很难确定，所以式（11-1）的积分很难求出结果。

对于风电机组其真实发电量是采用现场测试的方法得到的，首先要制作一套数据采集系统（结构如图11-13所示），数据采集系统应具备足够数量数据采集通道，每个通道的采样速率至少为0.5Hz，以便进行测量数据的采集与预处理。

（1）测量数据的处理

数据的采集应该采用0.5Hz或更快的取样速率连续进行。对于温度、气压、降水量及风力发电机组状态等参数测量可以用较低的采样速率，但至少每分钟采样一次。

数据采集系统应该能够存储采样得到的数据，或者预处理过的数据组，或者两者。预处理的数据应该包含下列内容：

1）平均值；

2）标准差；

3）最大值；

4）最小值。

每组预处理的数据组的总时间应该在30s～10min之间，并且应为可以被整除的10min数据值。另外，如果数据组的时间值小于10min，所测相邻数据组不能通过时间延迟加以区分。此时数据将持续采集直到满足数据库的要求时才可停止。

（2）数据筛选

筛选的数据是以10min为一个周期由连续测量所得到的数据而产生。如果要从预处理的数据中产生，则需要根据下面的公式计算出每10min时间的平均值和标准差。

式中 N_k——10min预处理数据组数据量；

X_k——预处理数据时间内的平均数值；

X_10min——10min内的平均数值；

N_s——预处理数据组内取样数据的数量；

σ_k——预处理数据组数据的标准差；

σ_10min——10min的平均预处理数据标准方差。(www.xing528.com)

（3）数据修正

在下列情况的数据组应该从数据库中删除：

1）风电机组不工作；

2）测试系统发生故障；

3）风向不在测量区域内。

在一些特殊工作情况（比如由于灰尘、盐雾、昆虫、冰雪造成叶片表面非常粗糙）或大气气候条件（比如降水、风剪作用）下采集的数据需要作为特殊数据而在测试报告中应该说明其数据筛选的标准。

对于可能由气流畸变和因测风仪没有安装在接近轮毂中心的地方所造成的气压误差而筛选到的数据需要进行修正。这种修正使用于那些显示可以获得更高测试准确度的测量数据。如在非常高的气流畸变地区所造成的风速仪超速的情况所进行的风速计错误修正。

（4）数据库的要求

在完成数据回归后选定的测试数据要根据bin方法进行排序，所选取的数据组应该覆盖从低于切入风速1m/s到风电机组85%额定功率输出时风速的1.5倍的风速范围内。换言之，风速范围应该覆盖从小于1m/s切入风速到“测得的年发电量”大于或等于95%的“外推出的年发电量”时的风速值。风速范围应连续分成0.5m/s连续bin，中心值是0.5m/s的整数倍。

该数据组在满足以下条件时可以认为完整：

每个bin中至少含有30min的采样数据值。

全部测试周期中包括风电机组在风速范围内正常运行至少180h。

（5）测试数据的计算

1）功率输出计算：

式中 V_i——规格化的第i个bin的平均风速值；

V_n，i，j——规格化的第i个bin的j数据组的风速值；

P_i——规格化的第i个bin的平均功率值；

P_n，i，j——规格化的第i个bin的j数据组的功率值；

N_i——第i个bin的10min数据组的数据数量。

不同地区的空气密度测试和进行修正，公式为

式中 ρ_10min——10min的平均空气密度；

T_10min——10min的平均绝对气温；

B_10min——10min的平均气压；

R——气体常数287.05J/（kg·K）。

空气密度应该通过测量气温和气压采用公式计算获得。在气温非常高的情况下，建议测量空气相对湿度对刻算的空气密度进行修正。

标准功率需经过密度修订后确定：

式中 P_n——标准化的功率输出；

P_10min——测得的10min的平均功率值；

ρ₀——标准空气密度；

ρ_10min——所得到的10min的平均空气密度。

2）风速计算：

式中 V_n——规格化后的风速值；

V_10min——测得的10min的平均风速值；

ρ₀——标准空气密度；

ρ_10min——得到的10min的平均空气密度。

测量的功率曲线是对规格化的数据组采用bin方法（method of bins）进行处理的。采用0.5m/s bin宽度为一组，利用规格化后的每个风速bin所对应的功率值根据以下两式计算得

3）年发电量（AEP）计算：

年发电量是利用测量所得到的功率曲线对于不同参考风速频率分布所计算出的估算值。而参考风速频率分布可以采用瑞利分布进行，该分布与形状系数为2时的威布尔分布等同。对于年平均风速为4m/s、5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s、11m/s时的年发电量（AEP）可以根据下式计算获得

式中 AEP——年发电量；

N_h——一年内的小时数=8760；

N——为bin数量；

V_i——规格化后的在第i个bin的平均风速值；

P_i——规格化后的在第i个bin的平均功率值。

其中

式中 F（V）——风速的瑞利分布函数；

V_ave——在风力机轮毂中心高度处的年平均风速值；

V——风速值。

以设定V_i-1=V_i-0.5m/s和P_i-1=0.0kW时开始叠加。

功率系数可以根据所测得的功率曲线由下式计算而获得

式中 C_P，i——在bin i中的发功率系数；

V_i——整理所得到在bin i中的平均风速；

P_i——整理所得到的在bin i中的功率输出；

A——风电机组风轮的扫掠面积；

ρ₀——标准空气密度。

（四）测试结果

功率特性测试结果应包括以下内容：

1）标准功率曲线；

2）功率系数曲线；

3）风湍流引起的功率散点图；

4）按风速分布的功率特性数据表；

5）根据标准功率曲线，计算不同年平均风速（轮毂高度处）的机组理论年发电量；

6）测试期间每日的温差；

7）测试误差分析。