近年來，隨著風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)水平的不斷提高，變速恒頻的風(fēng)電機(jī)組已逐漸成為風(fēng)電機(jī)組廠家的主流設(shè)計(jì)方案，其特點(diǎn)在于風(fēng)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速允許根據(jù)風(fēng)速情況在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化，從而使得風(fēng)電機(jī)組獲得最佳的功率輸出。然而，在風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過程中，風(fēng)電機(jī)組輸出功率不僅與風(fēng)速有關(guān)，還會(huì)受到風(fēng)電場空氣密度的影響。
目前，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組制造商在選擇風(fēng)電機(jī)組的控制策略時(shí)，僅根據(jù)風(fēng)電場年平均空氣密度來確定單一的控制策略，很少考慮空氣密度變化對風(fēng)電機(jī)組輸出功率產(chǎn)生的影響。鑒于中國復(fù)雜的地形環(huán)境，同一地區(qū)空氣密度隨時(shí)間推移波動(dòng)較大，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率達(dá)不到廠家設(shè)計(jì)的最優(yōu)輸出功率值，因此風(fēng)電機(jī)組制造商在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組時(shí)，應(yīng)該根據(jù)風(fēng)電場隨全年空氣密度變化的實(shí)際情況，分析不同控制策略對功率產(chǎn)出的影響，調(diào)整并優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組控制策略，確保風(fēng)電機(jī)組盡可能多地捕獲風(fēng)能。
風(fēng)電機(jī)組控制策略
風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)(圖1)是通過對控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇與風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行相匹配的控制策略，控制風(fēng)電機(jī)組使其在各種風(fēng)況下均能獲得最佳的功率輸出，同時(shí)確?？刂七^程的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
從圖2可以看出，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，只有在最佳轉(zhuǎn)矩T的狀態(tài)下，才能獲得最大輸出功率P。無論風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)矩大于或小于最佳轉(zhuǎn)矩T，都會(huì)出現(xiàn)實(shí)際輸出功率小于最大輸出功率P的狀況。
空氣密度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系
空氣密度與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式：
空氣密度與轉(zhuǎn)矩成正比，當(dāng)風(fēng)電場空氣密度發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩也會(huì)隨之改變。在風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過程中，風(fēng)電場空氣密度隨時(shí)間推移發(fā)生改變，轉(zhuǎn)矩受到風(fēng)電場空氣密度變化的影響，也隨之發(fā)生改變，從而偏離廠家設(shè)計(jì)的最佳轉(zhuǎn)矩，風(fēng)電機(jī)組輸出功率也就達(dá)不到廠家設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組控制策略中的最大輸出功率值，必然會(huì)存在發(fā)電量的損失情況。
實(shí)例分析
本文根據(jù)中國的地理狀況，選取南方沿海、北方內(nèi)陸兩個(gè)具有代表性的風(fēng)電場開展研究，分析不同地域風(fēng)電場中風(fēng)電機(jī)組輸出功率受空氣密度的影響程度，為風(fēng)電機(jī)組確定不同的控制策略，以達(dá)到當(dāng)?shù)乜諝饷芏认碌淖顑?yōu)發(fā)電量。
本文利用某風(fēng)電機(jī)組廠家提供的當(dāng)?shù)啬昶骄諝饷芏认碌墓β是€，與風(fēng)電場每月空氣密度下實(shí)際輸出功率作對比，分析每月功率損失值，最終得出全年因空氣密度影響導(dǎo)致的發(fā)電量損失值。
廣東某風(fēng)電場
根據(jù)該風(fēng)電場的氣象站數(shù)據(jù)庫得知，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄諝饷芏葹?.167kg/m³，每月平均空氣密度都偏離此值，因此每月都或多或少存在功率損失情況。每月平均空氣密度情況見表1。
根據(jù)圖3中該風(fēng)電場每月空氣密度的變化情況，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域空氣密度變化幅度較大，廠家在設(shè)置風(fēng)電機(jī)組控制策略時(shí)，可以按每月平均空氣密度逐月設(shè)計(jì)之相對應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組控制策略，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組每月都能達(dá)到最佳輸出功率的狀態(tài)。
從圖4可以看出，只要空氣密度偏離年平均空氣密度，無論高于或低于年平均空氣密度，風(fēng)電機(jī)組輸出功率都會(huì)低于設(shè)計(jì)值，出現(xiàn)損失情況;而且實(shí)際空氣密度偏離年平均空氣密度越大，風(fēng)電機(jī)組輸出功率損失越多。將每月空氣密度下實(shí)際輸出功率與廠家控制策略中設(shè)計(jì)的輸出功率做對比，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)電場全年因空氣密度引起的功率損失約0.33%，即全年理論發(fā)電量損失約24.75萬千瓦時(shí)。
2黑龍江某風(fēng)電場
根據(jù)黑龍江某風(fēng)電場的氣象站數(shù)據(jù)庫得知(表3)，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄諝饷芏葹?.259kg/m³，每月平均空氣密度都偏離1.259kg/m³，因此每月都或多或少存在功率損失情況(表4)。
從圖6可以看出，風(fēng)電機(jī)組輸出功率損失值基本上與空氣密度偏離年平均空氣密度的趨勢一致，無論空氣密度高于或低于年平均空氣密度，風(fēng)電機(jī)組輸出功率都會(huì)低于設(shè)計(jì)值，出現(xiàn)損失情況。將每月空氣密度下實(shí)際輸出功率與廠家控制策略中設(shè)計(jì)的輸出功率做對比，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)電場全年因空氣密度引起的功率損失約0.58%，即全年理論發(fā)電量損失約59.4 萬千瓦時(shí)。
結(jié)語
根據(jù)以上兩個(gè)案例發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過程中，只要空氣密度偏離廠家提供的風(fēng)電機(jī)組控制策略設(shè)計(jì)值，風(fēng)電機(jī)組無法達(dá)到其廠家控制策略中最佳設(shè)計(jì)值，就會(huì)存在發(fā)電量損失情況。因此風(fēng)電機(jī)組廠家在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的控制策略時(shí)，不能全年僅采用單一的風(fēng)電機(jī)組控制策略，應(yīng)該考慮一年內(nèi)空氣密度變化對風(fēng)電機(jī)組輸出功率產(chǎn)生的影響，采取一年內(nèi)按月、季度或者半年多次調(diào)整控制策略的方式來優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行，使風(fēng)電機(jī)組盡可能多地處于最佳轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，充分捕獲風(fēng)能，獲得最大輸出功率。
