基于风电机组功率特性曲线数据的偏航系统参数分析
摘 要：风力发电机组偏航对风角度偏差及时间延时设定，将影响风力发电机组对风能的捕获，通过采集风电机组功率特性曲线，分析风向变化对功率特性曲线的影响程度及趋势，提出参数优化方案，实现最佳风能捕获，提高风能利用效率和机械寿命。
关键词：风电机组；功率特性曲线；偏航误差角；发电功率
1 概述
风能作为清洁可再生能源，世界各国都在积极地发展风力发电，风电设备正成为人们研究的热点，随着风电装机容量快速发展，风电机组容量也越来越大，风电机组功率特性曲线是体现发电能力的核心指标，也是设备主要的考核指标之一，因此对功率曲线一致性验证、分析，找出内在因素，对提升设备发电能力显得尤为重要。
2 研究对象
文章研究对象为叶轮直径87米、1.5MW风电机组功率特性曲线，风机主要包括以下部件：风轮、齿轮箱、双馈感应发电机、机舱罩壳、变频器、塔筒。
3 功率曲线验证
利用SCADA监控平台采集风机平均风速、功率数据，绘制功率曲线散点图如图1、2所示。
图1 机型1功率曲线 图2 机型2功率曲线
选定2种机型功率曲线，机型1功率曲线平滑度高，满足设计标准，机型2功率曲线波动大，波动数据点多低于设计值，且集中在额定风速以下区间。
4 偏航数据分析
利用SCADA监控平台采集风机发电时段偏航对风角度数据，绘制角度值散点图如图3、4所示。
图3 机型1偏航角度散点图 图4 机型2偏航角度散点图
4.1 机型1触发自动偏航程序的条件
（1）风速大于7米/秒，偏航对风偏差大于8°，延时60秒，风机偏航。（2）风速小于6米/秒，偏航对风偏差大于10°，延时120秒，风机偏航。
4.2 机型2触发自动偏航程序的条件
（1）风速大于等于9米/秒，偏航对风偏差大于8°，延时210秒，风机偏航。（2）风速大于等于9米/秒，偏航对风偏差大于15°，延时20秒，风机偏航。（3）风速小于9米/秒，偏航对风偏差大于10°，延时250秒，风机偏航。（4）风速小于9米/秒，偏航对风偏差大于18°，延时25秒，风机偏航。
4.3 机型1与机型2偏航程序的差异
（1）高、低转换风速设定不同，机型1设定为67米/秒，而机型2设定为9米/秒（额定风速约为10米/秒），影响高风速阶段风机对风能的捕获。（2）延时时间设定不同，机型1高风速延时60秒、低风速延时120秒，而机型2高风速延时210秒、低风速延时250秒，启动偏航等待时间长。
4.4 机型1、机型2风机发电时段偏航对风角度均值
取偏航对风角度绝对值平均数，机型1发电时段偏航误差角度平均值约为5.06°，机型2发电时段偏航误差角度平均值约为7.13°。
5 偏航误差角对风机发电功率的影响
（1）当风向发生变化时，风向与风轮轴向会偏离一个角度，该角度记为偏航误差角θe，将风向角度记为θw，风轮轴线角度记为θt，
则θe=θw-θt，如图5所示。
发电机功率可表示为：
Pg=PMAXcosθe=PMAXcos（θw-θt）
由上式可知风向的变化会引起发电机功率的变化。偏航误差角越大，发电机功率越小，仅当θe=0时，发电机功率最大。
（2）偏航误差角造成风电机组叶轮风能利用系数降低、效率下降，影响风电机组的发电功率，如图6所示。
图5 图6 风电机组对风误差（°）
发电功率差值：
△P=PMAXcosθ1-PMAXcosθ2
=PMAXcos（cosθ1- cosθ2）
代入5.06°、7.13°求得：
△P=0.0038PMAX=0.38% PMAX
以1.5MW风电机组为例，若安装33台风电机组，年理论发电量为9000万千瓦时：
△P=0.38%x9000=34.2万千瓦时
风电机组多数时间运行在额定功率以下，合理设定偏航误差角可提升发电功率，年收益显著。
6 偏航对系统寿命的影响
影响风电机组系统寿命的因素是多方面的，侧风也是其中一个因素，它不仅降低了最大风能捕获，而且对旋转中的桨叶构成危害，侧风叶轮旋转过程中，桨叶上所受力矩做周期性变化，轮毂、转轴上也受到周期性的侧向力作用，同时，周期性力矩作用对包括塔架在内的风电机组形成具有一定频谱的振动源，对整个风电机组构成危害。
7 结束语
文章通过对风电机组功率特性曲线验证，进而分析偏航误差角对风电机组发电功率的影响，合理优化偏航误差角控制参数，可有效提升发电量，提高系统的使用寿命。风电机组影响偏航误差角因素甚多，如偏航启动延时时间、风向标误差等，文章未进行系统分析，实际中应考虑此问题。
参考文献
[1]朴海国，王志新.风电机组偏航控制系统的新型算法[J].太阳能学报，2008，29（8）.