Page 54 - 电力与能源2022年第二期

1 5 4 魏惠春, 等: 风切变对风电机组测试功率曲线及发电量的影响

称 AEP )。结果显示风切变导致风电机组功率曲
线不同程度的降低, 进而降低了其年发电量, 这一
影响尤以风切变大于 0.25 时较为显著。
本次测试 机 组 参 数 及 测 试 设 备 参 数 如 表 1
所示。
表 1 本次风电机组及设备参数
名称 参数
风电机组类型 上风向、 三叶片
风轮直径 D / m 120
轮毂中心高度 H / m 100
功率控制方式 变速变桨
额定功率 / kW 2000
-1
额定风速 /( m · s ) 9
切入风速 /( m · s ) 3
-1
图 1 试验机组结构示意图
切出风速 /( m · s ) 20
-1
测风塔高度 / m 100 由式( 3 ) 可知, 风切变系数主要受轮毂高度、
测风塔风速计高度 / m 100
风速、 风切变指数、 叶片长度等因素的影响。以试
下叶尖风速计高度 / m 40
测风塔风向标高度 / m 97
验机组为例, 轮毂高度 100m , 年均风速 5.5m / s ,
测风塔温湿度计高度 / m 97
风切变指数0.15 , 风轮直径120m , 分别分析每个
测风塔气压计高度 / m 7
长期观测测风塔风速计高度 / m 100
因素对风轮平面内风速变化的影响。
1 风切变和功率损失 风轮平面内风速随方位角的变化规律如图 2
( a ) 所示。在风轮旋转过程中, 由于高度的变化同
1.1 风切变 一叶素经历的局部风速发生周期性变化, 并且随
风切变通常受地形因素、 环境因素影响较大,
着r 的增加波动变剧烈, 以叶尖叶素为例, 分析在
一般地形复杂地区或 者夜间时段容易产生风切
风轮平面内最高与最低点处风速变化。
变。对于平原地区, 一般采用风切变模型对风切
风轮平面内较大的风速波动, 在传统最优叶尖
变进行描述 [ 13 ] , 具体计算公式如下:
下降, 造
速比控制策略下, 导致其风能利用系数 C p
α
æ z ö
V ( Z ) =VH ç ÷ ( 1 ) 成功率损失。较大的风速波动还会带来机组输出
è H ø
———地 面 功率的波动, 对机组产生较大的叶片载荷波动。
式中 V ( Z )———地面高 度 处 风 速; VH
轮毂高度、 风切变指数、 风速导致的风轮平面
H 高度( 轮毂高度) 处风速; α ———风切变指数。
根据风电机组系统结构及叶片分布特性, 将 内风速变化具体如图 2 ( b ) ~ ( d ) 及表 2 所示。
风电机组叶片方位角定义为θ , 如图 1 所示, 将式 1.2 功率损失
( 1 ) 在极坐标系中表示 [ 14 ] , 具体如下式所示: 为评估风切变对风电机组输出功率的影响,
æ rcosθ+H ö α 以轮毂高度和轮毂风速模型机组功率输出值为基
V ( r , θ ) =VH ç ÷
è H ø 准值, 定义风切变作用下平均功率与基准值的相
(,)]
[
=VH 1+w s rθ ( 2 ) 对误差为功率损失:
式中 r ———距离轮毂中心的径向距离; θ ———风
———风 切 变 系 数, 用 来 描 η = P ws-P 0 ( 4 )
轮平面内点位方向; w s P 0
述在风轮平面内风切变导致的风速变化量。 式中 η ———功率损失; P ws ———风切变风速模型
用三阶 Ta y lor展开式来近似 w s 既方便计算 ———轮毂风速模型机组的输
机组的输出功率; P 0
又保留了其非线性特性, 如下式所示:
出功率。
æ r ö α ( α+1 ) r ö 2 风电机组输出功率可表示为
æ
w s rθ ≈α ç ÷ cosθ+ ç ÷ cosθ+
2
(,)
è H ø 2 è H ø
3
(,)
P 0 V ) =0.5 ρ AV C p λ β ( 5 )
(
æ
α ( α-1 )( α-2 ) r ö 3
3
ç ÷ cos θ ( 3 ) ———风能
β
2 è H ø 式中 λ ———叶尖速比;———桨距角; C p
风切变效应作用下, 积分求解平均风速, 即风
试验机组结构示意图如图 1 所示。 利用系数, 代表风电机组对风动能的捕获效率。