张双益;胡非
【摘 要】The power curve measurement with nacelle anemometer has significant error, and it also brings the uncertainty in Wind Power Prediction (WPP). Based on field experiment in a wind farm, this literature investigated the nacelle wind speed - free flow wind speed relationship,studied atmospheric turbulence intensity's effect on the Nacelle Transfer Function (NTF), and then propoed a turbulence based dual-NTF method, which can be applied to power curve measurement with nacelle anemometer. For various annual mean wind speed conditions, the error ranges of calculated energy production based on no-corrected, the International Electrotechnical Commission (IEC) single-NTF method corrected and this paper's dual-NTF method corrected nacelle wind speed power curves were-8.8%~0.5%,-2.4%~-0.2%and-0.2%~0.2%. The results indicated the turbulence based dual-NTF method proposed in this paper is feasible, and its application effect is superior to the IEC single-NTF method.%机舱风速计测量功率曲线的误差较大,造成风电功率预测结果
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的不确定性.文章依托某风电场现场实验,研究了机舱风速-自由流风速的关系,探讨了大气湍流强度对机舱传递函数(NTF)的影响,提出了基于湍流的双NTF方法,并应用于机舱风速计测量功率曲线.在不同年平均风速情况下,采用未修正的机舱风速功率曲线、国际电工委员会(IEC)提出的单NTF方法修正后的机舱风速功率曲线和文章所提出的双NTF方法修正后的机舱风速功率曲线,分别评估年发电量,其误差范围分别为-8.8%~-0.5%,-2.4%~-0.2%和-0.2%~0.2%.研究结果表明,文章所提出的基于湍流的双NTF方法是可行的,其应用效果优于IEC提出的单NTF方法.
管锥篇【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2017(035)007
【总页数】9页(P1072-1080)
【关键词】自由流风速;机舱风速;机舱传递函数;功率曲线;风电功率预测
【作 者】张双益;胡非
【作者单位】中国科学院 大气物理研究所 大气边界层物理与大气化学国家重点实验室, 北京 100029;中国科学院大学, 北京 100049;中国三峡新能源有限公司, 北京 100053;中国科学院 大气物理研究所 大气边界层物理与大气化学国家重点实验室, 北京 100029
【正文语种】中 文
【中图分类】TK89;TM614
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由于风电场的出力具有较大的随机性和波动性，因此大规模风电并网对电力系统的安全稳定和经济运行带来了巨大挑战[1]。风电功率预测有利于电力调度部门及时调整调度计划，有效减轻风电对电网的影响。目前，研究人员已对风电功率预测进行了深入的研究，得到了广泛的应用[2]，[3]。
短期风电功率预测常用风速-风电功率方法，将风速预测值代入风-电功率特性函数，从而得到对应的功率预测值[4]。现有软件多采用数值天气预报（Numerical Weather Prediction，NWP）技术，通过数值模拟得到风电场附近大范围的气象状况；然后进一步结合降尺度技术、尾流分析等方法，得到风电场内外部的风速、风向、温度、空气密度等数据；最后结合风电场或风电机组的功率曲线，得到风电场输出功率的预测值[5]，[6]。
现有的研究普遍认为，数值天气预报的准确性是影响风电功率预测精度的最重要因素，而其对风电机组的功率曲线的影响受到的关注相对较少[7]。虽然风电机组的理想功率曲线表现为风速-功率的一一对应关系，但在实际工况下，机组的实际输出功率会在平均值内上下波动。因此，在风-电转化过程中，这种固有特性将在风速不确定性的基础上叠加一定的放大或缩小效应，最终对机组输出功率的不确定性产生较大影响[8]。
国家标准“风力发电机组功率特性测试（GB/T 18451.2-2012）”要求在测试机组的主风向前设立测风塔，以获取自由流风速数据，用于确定机组的功率曲线[9]。但由于该标准对测试场地及测试机组等条件的要求较为苛刻，且设立测风塔的花费较大，又不可重复利用，因此，很少有人专门设立测风塔测量功率曲线。
风电场常用风电机组的机舱风速计测量功率曲线，用于风电功率的预测[10]～[12]。采用机舱风速计的优势在于不须设立测风塔，机舱风速计安装在机舱后部的气象架上，经济成本低、耗费时间短，并可方便测量风电场内全部机组的功率曲线[13]。但是，由于叶轮转动和机舱本身会引起气流畸变，影响机舱风速计测量风速 （简称为机舱风速），因此，直接采用机舱风速计测量功率曲线会造成较大的误差[14]。
为解决以上问题，国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）提出了机舱传递函数 （Nacelle Transfer Function，NTF）方法，用于将机舱风速转换为自由流风速，由此得到风电机组的功率曲线[15]。文献[16]在我国风电场案例中尝试应用了IEC单NTF方法，取得了一定的效果，修正后的机舱风速功率曲线误差显著减小，但与自由流风速功率曲线相比仍存在明显的差异，评估年发电量的误差最高达到了6%[16]。
为改进和完善机舱风速计测量风电机组功率曲线方法，提高测量结果的准确度，本文从风电场现场实验着手，分析了自由流风速和机舱风速的关系，探索了湍流强度对NTF的影响，并在此基础上提出了新的双NTF方法。通过风电场实际案例进行尝试和应用，验证了双NTF方法的可行性，并与IEC单NTF方法的预测效果进行对比。本研究可为风电功率预报等工作提供参考。
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本文风电场案例位于吉林省西部，场内地形平坦，植被覆盖稀疏。测试机组为风电场内安装的某2 MW级变桨变速型风电机组，该机组在国内市场上具有一定的代表性。风速和气象观测采用ZephIR 300型激光雷达，该设备已被成熟应用于功率曲线测量工作[17]。风电机组的参数和激光雷达性能参数参见文献[18]。激光雷达安装于测试机组的上风向，与机
组距离为叶轮直径的2.36倍。激光雷达测量不受其他风电机组及其他障碍物影响，适于开展功率曲线测试工作。激光雷达和待测机组的现场照片见图1。经评估，该场地满足“风力发电机组功率特性测试”标准的要求，适合应用IEC单NTF方法测试（表1）。
通过功率变送器采集测试机组的输出功率数据，激光雷达采集轮毂高度（85 m）的风速、风向和湍流数据。激光雷达附带小型自动气象站，能够采集地面1 m高度的温度、湿度和气压数据。数据采集与监视控制系统（SCADA）收集机舱风速、机舱风向和机组状态等信号[15]。测试持续时段为2015年6月4日-7月9日，超过30 d。
根据风力发电机组功率特性测试标准要求，须剔除数据库中的无效数据，其中包括测试设备异常产生的坏点数据、测试机组未处于正常发电状态的数据和测试机组及激光雷达受尾流影响的扇区数据等。采用文献[16]中的方法将轮毂高度的风速标准化到测试期的平均空气密度。处理后的最终数据库包含380 h的采样数据，覆盖3～15 m/s（即切入风速到额定功率85%所对应风速的1.5倍），且每个0.5 m/s区间的采样数据超过30 min，满足风力发电机组功率特性测试标准的完整性条件。
毛向辉采用区间法确定测试机组的自由流风速功率曲线。把标准化后的自由流风速按照0.5 m/s间
隔划分成若干区间，每个区间的中心值为0.5 m/s的整数倍，计算第i个区间标准化后的自由流风速平均值 Vfree，i、机组输出功率平均值 Pfree，i 和风能利用系数 Cp，free，i：
式 中 ：Vfree，n，i，j 和 Pn，i，j 分 别 为 第 i 个 区 间的数组 j标准化后的自由流风速和机组输出功率；Ni为第i区间的数组数；A为叶轮扫风面积。
将以上得到的自由流风速功率曲线作为基准结果，用于评价机舱风速功率曲线的符合度及误差。
自由流风速、风向和机舱风速、风向的相关性和替代性影响着机舱风速功率曲线与自由流风速功率曲线误差的大小。已有研究表明，机舱风速和自由流风速的关系受多种因素影响。一般认为风能被叶轮吸收转化后，会引起下风向的风速下降，导致机舱风速小于自由流风速。然而，由于叶轮旋转引起的流管膨胀、气流旋转、叶尖涡流、叶根涡流等现象，导致尾流区域的流场非常复杂，风速具有较强的波动性[19]。近年来，多项数值模拟和观测数据显示，机舱周边不同区域的风速可大于或小于自由流风速[20]～[23]。
按照0.5 m/s的间隔将标准化后的自由流风速划分区间后，计算第i个区间的标准化后的机舱风速平均值 Vnacelle，i：
式中：Vnacelle，n，i，j为第 i个区间的数组 j标准化后的机舱风速。
参照IEC处理方法，按照10°间隔对自由流风向划分区间，每个区间的中心值为10°的整数倍，计算每个区间的自由流风向平均值和机舱风向平均值[15]。
图2给出了自由流风速、风向和机舱风速、风向的散点及区间平均值。由于自由流风速在小于3 m/s和大于13 m/s区间的数据量少于10个，虽然满足完整性要求，但用于统计分析的样本过少，可信度较低，因此剔除了以上区间的数据。
由图2可见，机舱风速、风向总体上均随自由流风速、风向增大而增大，散点存在较强的线性和相关性；自由流风速、风向与机舱风速、风向的区间平均值均较为接近，分布在直线y=x附近。因此，在统计平均意义上，自由流风速、风向与机舱风速、风向具有一定的替代性。
由于风电场场址地形、机舱风速计型号和安装位置、机舱形状及偏航、叶片形状、转速及变桨和机组的控制及运行等因素，均会影响自由流风速和机舱风速的关系，因此其他项目的各项条件与本项目不同，也会造成测试结果的不同[20]，[24]，[25]。
采用区间法确定测试机组的机舱风速功率曲线。按照0.5 m/s的间隔把机舱风速划分成若干区间，每个区间的中心值为0.5 m/s的整数倍，参照式（1）～（3）计算每个区间的机舱风速平均值、机组输出功率平均值和风能利用系数。
陆德明图3给出了机舱风速功率曲线和自由流风速功率曲线的对比。由图3可见，机舱风速功率曲线与自由流风速功率曲线差异显著。当风速在3.5～7.0 m/s时，机舱风速功率曲线高于自由流风速功率曲线，风速为3.5 m/s时，最大偏差达278%。当风速在7.5～12.5 m/s时，机舱风速功率曲线低于自由流风速功率曲线，风速为9.5 m/s时，最低偏差为-20%。同时，从图3中可以看到，当风速为3.5～4.0 m/s时，机舱风能利用系数超过了贝茨极限0.593[26]。这往往是机舱风速计的机舱传递函数出现了问题。
