論測風塔在風電場運行中的重要性

張宇瓊

摘要：風資源評估對風電場的選址、前期建設起著關鍵性的作用。為了更好地發揮、認識測風塔在整個風電場建設、運行中的作用，文章通過風電場運維中的實踐和經驗，論述了測風塔在風電場運行中功率預測和性能指標評估中的作用。精準的測風塔數據是風電場全生命周期管理中關鍵的元素，可為發電量的提升、運維管理提供更準確的保障。

關鍵詞：風力發電機組；測風塔；風電場運行；效益管理；風資源評估 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）33-0113-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.056

隨著國內風電產業的高速發展，風電企業的競爭日益加劇，尤其在棄風限電的背景下，更加需要精細化的建設、運維管理。風電場生命周期，包括前期風能資源的評估、風電場的選址、風力發電機組選型和安裝、運行維護。其中對風能資源進行精確的評估，直接影響風電場的效益，是風電場建設成功與否的關鍵。測風塔作為獲取第一手風能資料的設備，在前期風場選址中起著舉足輕重的作用。然而，在風電場建成后，如何去評價前期的設計是否合理、風機運行是否正常、風電場的管理是否有效，這就需要對運行的風電場進行設計后評估與運行后評估。此時，測風塔不僅是對風電場建設創造基礎價值，而是貫穿了風電場孕育到風電場運行維護以及后評估的整個過程。

圖1為風電利潤的構成，可以看出，風電場的售電量、損失電量的指標都依賴于理論發電量的評估，而理論發電量的準確評估又依賴于風速的評估。風機自身的風速儀由于受到葉片的擾流影響不能準確代表該機組的真實迎面風速。在風場的各項效益評估環節，更能代表風電場風況的生產測風塔的作用就顯得尤為重要。

1 測風塔的總體要求

《風電功率預測系統功能規范》（NBT-31046-2013）要求，風功率預報必須采用實時傳輸測風塔數據，數據傳送時間間隔應不大于5分鐘；測風塔應立在風電場外1000～50000m范圍內且不受風電場尾流效應影響，宜在風電場主導風向的上風向，位置應具有代表性；采集量應至少包括10m、50m及輪轂高度的風速和風向以及氣溫、氣壓等信息，應包括瞬時值和5分鐘平均值；測風塔的數據可用率應大于99%。

考慮到風電場后評估及機艙前風速矯正，“功能性測風塔”即生產測風塔應立在主風向無遮擋且能保證足夠的自由扇區、地勢變化平緩的規劃機位上風向2～4倍風輪直徑距離處。

2 測風塔在設計后評估中的作用

隨著越來越多的風電場建成投運，開發商逐漸重視后評估工作。風電場設計階段的風資源評估是否準確，與風能資源聯系緊密的發電量成為體現風電場運營的后評價過程中的重要指標之一。但是如何評價前期風資源的準確與否，就要依靠生產測風塔的數據進行檢驗。

下文以國華某風場為例說明前期風資源和實際運行中的差距。

2.1 設計階段風資源

圖2為某年內平均風速變化。用WASP9.0軟件推算到預裝風電機組輪轂高度70m年平均風速為6.40m/s，平均風功率密度為250W/m2，威布爾參數A=7.2，k=2.20；50m年平均風速為6.24m/s，平均風功率密度為232W/m2，威布爾參數A=7.0，k=2.19。根據《風電場風能資源評估方法》，判定該風電場風功率密度等級為2級。

該風場70m高度年有效風速（3.0～25.0m/s）時數為7916h，風速頻率主要集中在3.0～11.0m/s，3.0m/s以下和25.0m/s以上的無效風速少，無破壞性風速，年內變化小，全年均可發電。

風電場70m高度50年一遇最大風速、極大風速為34.2m/s、40.9m/s，湍流強度為0.11，小于0.12。根據IEC61400-1標準，判定此風電場可選用安全等級為IECⅢc級及以上風機。

根據該風場風能資源特點和場址范圍，采用Windfarmer優化風機布置，按風機間距不小于4D布置風電機組，采用當地空氣密度（即空氣密度1.091kg/m3）下的功率曲線計算風電機組理論發電量?？紤]風電機組利用率、風電機組功率曲線保證率、控制與湍流影響折減、葉片污染折減、氣候影響停機、廠用電、線損等能量損耗、電網波動影響、其他因素影響（暫按1%考慮），年上網電量為9410.4萬kWh，年等效滿負荷小時數為1901h，容量系數為0.22。

2.2 實際運行中的風資源

作為新投運的風電場，預測來年發電量時，唯一的參考依據是可研報告中的資源情況。風電場滿年投運的發電量為7227萬kWh，全年限電量1447kWh，場用電率按照3.75%，全年的實際上網電量為8349萬kWh。與可研報告中的發電量相比低了11.28%。

從圖3可以看出，除了9月風況接近外，其余月份風資源相差較大。當然，一年的運行數據無法作為評價風資源的依據。

此風場采用了兩種機型，測風塔的位置正好處于兩種機型的中間（圖4）。選取測風塔與運行數據同期的數據，對測風塔數據進行尾流還原，得到測風塔尾流前的風速，用于以下用途：

根據測風塔尾流前風速評估風電場運行時段的風資源水平，準確評估運行年限中的大小風年，為風電場發電量的評估提供基準。

根據測風塔的尾流還原后風速，采用前期設計的流體模型對機位處發電量進行評估，與實際發電量進行對比，進而評估前期設計的流體模型是否準確。同時，通過設計模型結果與實際運行數據的對比分析，可以發現流體模型的缺陷，進而提高流體模型的準確性，又可以根據流體模型的缺陷指導前期立塔的代表性，通過流體模型的失效分析，在失效區域進行立塔代表，為后續項目的發電量評估提升準確性、降低投資風險。

測風塔的風速在設計后評估中發揮著重要的作用，其風向數據也有很大的作用：根據測風塔處的風向，可以修正復雜風電場測風塔周邊機組的風向、平地風電場全場的機組處風向，使得風電場全場協同控制得到有效實施。

3 測風塔在運行指標評估中的作用

3.1 各種評價指標的優劣

2013年國家能源局發布《風電場運行指標與評價導則》（NB/T31045-2013），2014年中電聯發布《風電場生產運行統計指標體系》。另外，各大風電運營商也根據自身的運營實踐經驗陸續發布評價指標，大唐集團在2012年發布《中國大唐集團公司風電企業指標釋義》，龍源電力集團在2013年發布《風電場運行指標與評價導則》。

根據上述兩種指標的類型，目前在行業內場用的主要運行后評估指標有：

3.1.1 設備可利用率（TBA）是用來描述統計期內機組處于可用狀態的時間占總時間比例的指標，是用來考核設備可靠性時常用的一項指標。計算方法為：

備用小時為調度停運備用小時與受累停用備用小時的總和（不含風機定期維護和點檢時間）。隨著風機設備可靠性的持續提升，目前國內外大部分風電場的TBA都達到了97%以上，可實際上不同項目之間存在著很大的發電水平差異。根據全球風能理事會和能源局統計，歐美典型風場的平均年發電小時數達到2500小時，而國內風電場平均水平只有1900小時左右（見圖5）。幾乎一致的TBA水平無法解釋相差600小時的發電量落差。

仔細分析TBA這個指標，可以發現，單純時間維度的衡量并沒有給出由于停機錯過的風能究竟有多少，即大風時停機1小時，往往比小風時停機2小時損失的電量要多。要想知道停機期間損失電量有多少，必須依賴于風速的準確評估。

3.1.2 無故障運行時間（MTBT）。風力發電運行過程中非計劃停運（故障停運）損失完全是由設備失效或者故障等造成的，因此在風電場運行過程中，需要有指標去關注設備的可靠性水平。在傳統的電器產品質量體系中平均故障間隔時間是常被用來衡量一個產品可靠性水平的指標，是體現產品能夠保持正常功能不間斷使用的持續時間。借鑒該指標的定義，考慮到風力發電機組單次故障不一定失效的特點，引進了風電領域定制的可靠性指標MTBT。計算方法為：

從設備可靠性水平來看，該指標反映了被評估風電場設備兩次故障停運的間隔時間，如圖6所示：

隨著風電場可靠性水平的提升，風電場故障率進一步得到降低，無故障運行時間這個指標將變得極為敏感，有可能出現兩個風電場出現的故障次數僅相差1次，但無故障運行時間會相差100小時。此時，MTBT就難以支撐風電場的精細化管理了。另外，受限于故障次數，MTBT忽略了停機時間及停機時段風資源等因素對

發電量的影響。

3.1.3 平均機組故障時間（MTOTF）。在統計時間段內因為機組故障停機導致的設備處于停運狀態的單臺機組平均耗時，用來反映風電機組運行質量和維護隊伍的響應速度、故障診斷能力、修復效率和備件保障

能力。

上述指標是從時間維度上考衡量風電場的可靠性，但是忽略了風電的特殊性，即：不同的時段下，考核指標相同的情況下，損失的發電量并不一樣。

3.1.4 EBA（能量可利用率），即實際發電量和理論發電量的比值。準確的EBA計算需要風速作為輸入。計算方法為：

能量可利用率=

式中：理論產能=f（V，，PC），V指葉輪前的風速，指空氣密度，PC指不同值下的理論功率曲線值。

因此在計算標定風機的EBA的時候，必須參考測風塔的風速，建立測風塔自由流風速與標定風機葉輪后風速之間的相關性，再根據自由流扇區的相關性，作用到標定風機全扇區的風速，由上述關系求出標定風機處的理論發電量，從而計算出EBA。

3.2 后評估和考核基準

根據《風力發電機功率性能測量》（IEC61400-12-1）及《基于機艙風速計的風電機組功率特性測試》（IEC61400-12-2）中所述，風機設備上安裝的風速儀，由于受葉片轉動引起的擾流影響，并不能表征風輪前真實捕獲的自由流風速，需要通過樹立生產測風塔，因此就需要通過生產測風塔提供的數據，建立由SCADA采集的機艙風速與風輪前自由流風速的回歸關系，從而獲得校準后的風輪前風速，進而通過對能量可利用率的計算，實現對各類電量損失的精確分解及管理。

目前風機制造商提供的SCADA系統的風速都是取自風速儀，因此系統中的功率曲線就值得商榷了。

圖7為某機組實際運行參數擬合得到的功率曲線與廠家提供的理論功率曲線對比，可以看出，功率曲線的吻合度僅在73%～89%之間，設備性能沒有達到承諾標準，導致電量損失達20%左右，詳見表1：

基于測風塔數據，可以有效地還原風機機艙前的真實風速，從而發現功率曲線的問題，及時采取措施避免設備性能降低。同時，準確評估標定風機的真實風速也是準確評估風機各損失電量的基礎。在風電場的運行管理過程中，由于設備可靠性問題導致的設備停機或亞健康的電量損失會相對容易管理。

4 實際應用中存在的問題

上述所說都是基于風電場內的測風塔穩定可靠，但目前實際情況則是要么風場現有的測風塔不是功能性測風塔，即是前期測風遺留的；要么就是受到環境影響或者維護不當，導致數據不足以用來計算。如此情況下，如何準確地對設備停運或者亞健康造成的損失電量進行評估？

針對此類情況，行業內給出了兩種常用的損失電量的計算方法：

4.1 標桿風機評定法

也叫臨近風機法，就是假定在非正常發電運行時間段內，存在一臺或者幾臺可以正常運行的機組，將這一臺或者幾臺機組的實際發電量，認定為理論發電量，減去此段時間內的實際發電量。

4.2 實際功率曲線標定法

按月給每臺風機繪制正常運行時間段內的實際功率曲線。當風機出現非正常運行時，借助繪制的實際功率曲線，計算出理論發電量。根據非正常運行機組計算出實際發電量，兩者的差即是損失電量。

關于這兩種方法的研究還比較少，其適用場合（如平地、山地）、誤差等方面各有優劣。

在生產實踐中，針對平地風電場情況，實際功率曲線標定法計算的損失電量相對偏差均小于1%；使用標桿風機評定法計算的損失電量的平均相對誤差在4.2%左右。與此同時，標桿風機評定法的相對誤差波動性大，一致性低于實際功率曲線標定法。

而對于山地風場，由于受地形影響，標桿風機評定法出現了較大的誤差，機組間偏差波動性進一步放大；使用實際功率曲線標定法，偏差無明顯波動，機組間一致性較好。

5 結語

追求發電效益是風電場生存的根本。精準的測風塔數據是風電場全生命周期管理中不可或缺的元素。測風塔數據是風電場規劃階段的決策依據；風電場生產運行期內，充分利用生產測風塔的數據來標定風場的風況，實現對風電場的精細化管理，讓機組工作得更有效，最終提升發電效益。

參考文獻

[1] 周海，匡禮勇，程序，等.測風塔在風能資源開發利 用中的應用研究[J].水電自動化與大壩監測，2010， 34（5）.

[2] 胡學敏.測風塔選址及數據采集對風電場產能評估的 影響[J].農業工程技術·新能源產業，2011，（2）.

[3] 趙靚.向資產管理要效益[J].風能，2014，（2）.

[4] 風電功率預測系統功能規范（NBT31046-2013）[S].

[5] 劉昌華.測風塔與風力發電機組風速數據相關性分析 [J].內蒙古電力技術，2012，30（3）.

[6] 中國電力企業聯合會.風電場生產運行統計指標體系 （2014版）[S].2014.

[7] 遠景能源.風電場，讓我用什么來評價你[EB/OL]. http：//www.envisioncn.com/newsdetail.aspx？ID=118. 2016.

（責任編輯：小 燕）