摘要：本文拟构建风电机组理想模型，通过对历史运行数据进行正向分析，与理想模型进行对比分析，以及各机组图表数据横向分析的方法，对风电机组的性能进行评估，降低评估的难度和成本，缓和业主和设备供应商的矛盾，同时为风电场控制策略的优化提供指导方向。
关键词：风电机组 性能评估 理想模型 横向对比
近年来，随着3060碳达峰碳中和的提出，新能源行业再次赢来了黄金发展期。风力发电在国内扶持政策的支持下，从2006开始得到了飞速的发展，经过十多年的技术发展，截止到2022年12月底，风电累计装机容量已达约3.7亿千瓦。风电场风电机组运行性能的好坏直接关系到风电场的收益，如何评价风电机组的运行性能成为业主单位和行业关注的重点。本文从风电场运行历史数据统计分析角度探讨风电机组运行性能评估的方法。
1 现有风电机组性能评估方法及优劣
目前国内外对于单台机组功率特性评估主要参考IEC 61400-12标准，IEC 61400-12-1标准 给出了测试（新增测风塔测量风资源）单台机组功率特性的程序和方法，IEC 61400-12-2给出了利用机舱风速计测试机组功率特性的程序和方法。评估标准有详细的规则说明和计算公式，技术理论成熟。
由于风流体受到地形、气温、气压、湿度、大气稳定度、尾流、扰动等多因素的影响，在不同的机位点的风特性差异较大，针对每一个机位点功率特性评估新增一座测风塔，成本太高；若采用机舱风速计进行评估，因风受到叶轮扰动和尾流的影响导致失真，评估精准度较差。
国内外有研究采用移动式激光测风雷达进行评估的方法，激光测风设备价格较高，且采用激光测风雷达对全场机组进行评估周期较长，目前暂未得到推广。
另一种替代方法是，在机舱上安装激光测风仪代替现有风速风向仪，通过激光测风仪探测机舱叶轮正前方200m的风速风向信息，此方法理论上可行性较高，但目前依然存在价格较高的问题，尚处于研究阶段，未能进入商业运营。
2 基于历史运行数据的风机性能评估新方法
风力发电机组是通过风机将风能转化为电能的设备，目前国内外主流机型均为变桨变速型。在额定风速以前，叶片固定在0°桨距角，采用变速控制方式（最佳叶尖速比）最大面积获取风能；在额定风速后，则采用变桨控制，使风电机组保持额定输出；在额定风速过渡段，采用变桨与变速相结合的方式，降低冲击载荷，使功率平滑过渡。风力发电机组整体性能的评估包括了功率曲线符合度、时间可利用率、故障率、平均无故障工作时间等参数的分析与考核。
基于现有成熟技术理论，对机组运行历史数据正向分析测算的基础上，采用与理想模型反向推导相结合方式对机组功率特性进行评估，可大大降低评估成本，同时保证一定的精准度。
通过对已建项目运行历史数据的分析，对风电场的整体性能进行评估，分析风电场存在的问题，拟从控制策略优化方式入手，通过分析转矩-转速散点图、风速-功率散点图、时间可利用率、能量可利用率等指标，出控制策略存在的问题，与风机设备供应商一起商讨确定控制程序的优化，并利用优化后的程序对风电机组进行实践验证，从而确定本分析方法的可行性与有效性。
3 具体分析方法
采用理想模型，得到相关参数标准分析图表；对历史数据进行统计分析，通过散点图观察数据的分布，与标准分析图表进行对照，得出控制的响应准确性和及时性：
1）通过转矩-转速散点图，观察散点图是否集中，是否存在明显分段等情况，进而判断控制的响应速度、控制策略等；
2）通过偏航角度分析，确定每台机组的偏航偏差角情况，结合风向数据判断偏航角度变化幅度和频率，进而优化偏航控制（对偏航控制允许偏差角进行调整）；
3）通过风频分布、低风速待机时间、自耗电等情况分析，调整切入风速及待机等待时间。
对数据进行筛选，结合功率曲线散点图拟合实际功率曲线；根据数据统计的风频分布与拟合实际功率曲线计算得到理论发电量，采用实际发电量与理论发电量对比得到能量可利用率。
利用风功率预测塔，按IEC标准选取合适的机位点建立机舱传递函数；利用理想模型反推得
到每一个机位点的机舱传递函数；按照机舱传递函数类比方法，求得每个机位点的修正机舱传递函数，应用到风速数据，重新绘制功率曲线图，与保证功率曲线进行对比，进而判断风机功率曲线是否达到考核标准要求。
对所有机组的功率曲线进行横向对比，选取出功率曲线表现最佳的机组，以此机组为基准，分析各机位点控制策略的优化方向，对各机组控制程序进行优化更新，验证实际效果。
4 分析方法原理与执行步骤
风力发电机组的能量转化符合以下公式：
大型风力发电机组其中： P为功率
ρ为空气密度
ν为风速
r为叶轮半径
η为转换效率
Cp为风能利用系数
理想模型状态下，风力发电机组生产出来后，叶轮半径即已确定，即叶轮扫描风面积为固定值；现场安装后，空气密度、风速、是外在的不可改变的气象条件，转换效率是机组的固有的机械效率；则风力发电机组的功率仅与Cp（风能利用系数）有关。
CP是一个二元函数，CP(λ,β)，即CP(叶尖速比,桨角)。在额定风速以前，为了最大程度获取风能，风机的桨角是固定的，为零度，则此时CP是变成了一元函数，仅与叶尖速比有关。
其中：λ叶尖速比
ω角速度
图1 Cp-λ关系曲线图
Cp与 λ的关系曲线是风力发电机组的基本特性之一，只有λ为某一特定值时（通常用λopt表示），Cp达到其最大值Cpmax，λopt称为最佳叶尖速比。
我们知道P=T*n/9550,因为风速仪位于机舱后，风速易受影响且波动较大，故可以通过控制转矩-转速来实现功率的控制,转速与角速度直接相关，ω=2πn。
令P=Kλω3，则可得到：
在上式中，当λ取最佳叶尖速比即λopt时，Cp达到其最大值Cpmax，此时Kλ根据特定的空气密度对应一个确定的Kλ值，通常用Kopt表示。
为了最大化获取利用风能，目前国内外机组均采用最佳叶尖速比控制策略，当风力发电机组设计定型后，其Cp与 λ的关系曲线即已经确定。在确定Cpmax和 λopt后，从上式可以看出，Kopt仅与ρ有关。
由P=Kλω3可知，Kopt确定后，功率与ω3成正比，也即我们可以通过控制调节转速来调节功率，这就是风力发电机组变速控制的原理。下图是不同Cp下，某风力发电机组在不同风速下输出功率与转速的关系图。
图2 风机在不同风速下输出功率与转速关系图
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