发电功率

影响风力发电机组功率的因素

马 驰

（内蒙古中广核风力发电有限公司，内蒙古锡林浩特０２６０００）

摘要：风力发电机作为一种绿色能源有着改善能源结构、经济环保等方面的优势，也是未来能源电力发展的一个趋

势。但风力发电机在工作时由于受到环境或本身结构的影响，其功率会受到影响。文章就影响风力发电机组功率的

各方面因素进行探讨。

关键词：风力发电机；功率影响因素；功率曲线；发电量

中图分类号：ＴＭ３１５ 文献标识码：Ａ

一

、功率曲线与发电量

功率曲线反映了风力发电机组的功率特性，是衡量机

组风能转换能力的指标之一，设备验收时功率曲线往往是

被重点考核的对象。其实，评价一种机型功率曲线的好坏

不应单纯地只关注那些图表中所给定的“风速一功率”对

应值，还应根据现场情况进行具体分析：风力机组的功率

特性关键取决于叶片的气动特性和机组的控制策略。众所

周知，叶片的气动设计实际上是一个优化的结果，受其他

条件限制，无法达到所有风速工况下效率均最好的目标。

而机组实际运行的外部条件可能与设计存在较大差异，因

此需要采取技术措施以实现发电量最大。一般来讲，失速

型机组应根据风频分布调整合适的安装角，使风频最高的

风速段出力最好。而变桨距机组则应根据湍流等风速特性

优化控制策略。因此为了追求发电量优化的目标，实际的

功率曲线与理论值会存在一个合理的偏差。

二、风力发电机组实际功率曲线与标准功

率曲线的差异

根据风力发电机组在一段时间内输出功率和同一时刻

的风速之间的对应关系，即可得到风电机组的实际功率曲

线，比较理想的状况是单独设立一套独立的测量系统，对

机组的功率数据进行记录，同时测量环境气温、大气压力

和风速等环境参数，根据记录的数据，绘制出风力发电机

组的实际功率曲线，同时根据环境气温、大气压力对实际

功率曲线进行修正，观察机组实际功率曲线与标准功率曲

线的差异是否在正常的范围内。在实际工作中，由于受现

场条件和机组数量较大的限制，多利用机组控制系统的测

量数据，通过中央监控系统进行记录，这种方式存在两个

弊端：一是多数风力机的风速仪位于叶轮的后部，风速的

测量准确度受到影响，其次机组控制系统没有环境气温、

大气压力等环境参数的测量或测量值不准确，需要补充其

它辅助装置进行数据的补充。因此采用这种方式分析处理

文章编号：１００９—２３７４（２０１ １）０４—０１０９—０２

得到的机组实际功率曲线应允许有一定的误差。

本文所有数据源于一套为上海电气的ＳＥＧ一１２５０风机监

控系统，数据存储时间间隔为１分钟。

选定这种风力机的数据，是因为这种风力机在风力机

类型上比较普遍，同属于三叶片、上风向、定桨距失速调

节型风力机，额定功率相同，叶轮转速相同，均为３３ｒｐｍ，

叶轮直径普遍。

图１海电气ＳＥＧ一１２５０风机风力曲线

在图ｌ中，风力机的实际功率曲线均未经过环境温度和

大气压力的修正，与标准功率曲线相比，除Ａ２风力机外，

其它机组功率曲线均较低，最大偏差可达２５％（Ａ４风力机

１９ｍ／ｓ风速点）。Ａ２风力机功率曲线基本达到标准功率曲

线，且低风速段输出功率较高。如果考虑由于空气密度的

变化造成的影响，在标准条件下，其功率曲线高出标准功

率曲线。

三、风力发电机组功率的影响因素

（一）输出功率

根据风能转换的原理，风力发电机组的功率输出主要

取决于风速，但除此以外，气压、气温和气流扰动等因素

也显著地影响其功率输出。因为定桨距叶片的功率曲线是

在空气的标准状态下测出的。而桨叶的失速性能只与风速

有关，只要达到了叶片气动外形所决定的失速调节风速，

不论是否满足输出功率，桨叶的失速性能都要起作用，影

２０１１ ０２ ｏ中阖高新技术企ｌ业１０９

响功率输出。因此，当气温升高，空气密度就会降低，相

应的功率输出就会减少，反之，功率输出就会增大。

（二）叶尖扰流器的影响

由于风力机风轮巨大的转动惯量，如果风轮自身不具

备有效的制动能力，在高风速下要求脱网停机是不可想象

的。早年的风力发电机组正是不能解决这一问题，使灾难

性的飞车事故不断发生。目前所有的定桨距风力发电机组

均采用了叶尖扰流器的设计。当风力机正常运行时，在液

压系统的作用下，叶尖扰流器与桨叶主体部分精密地合为

一体，组成完整的桨叶，当风力机需要脱网停机时、液压

系统按控制指令将扰流器释放并使之旋转，形成阻尼板，

由于叶尖部分处于距离轴最远点，整个叶片作为 个长的

杠杆，使扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在

几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即为桨

叶空气动力刹车。叶尖扰流器是风力发电机组的主要制动

器、每次制动时都是它起主要作用。

（三）低温对零部件的影响

客观上因为低温的应用范围毕竟有限，此类设备的经

验和知识远没有常温和高温环境那样受到广泛的关注。不

同种类的零部件受低温的影响是不同的，对于金属机件应

根据承受载荷的形式予以区别对待。例如传动系统中的齿

轮箱、主轴等，承受冲击载荷，这类零部件需重点防止低

温时的脆性断裂，提高材料和机件的多次冲击抗力。材料

的化学成分、冶炼方法、晶粒尺寸、扎制方向、应变时效

以及冶金缺陷等是影响冲击韧度和冷脆转变温度影响的

主要因素，需要在设计时认真对待。采取适当的热处理方

法。能显著提高材料多冲抗力，避免应力集中，表面冷作

硬化和提高零件的表面加工质量等措施均能提高多冲载

荷下的破断抗力。当然避免在低温情况下出现较大的冲击

载荷也是非常关键的，例如在风速较高时机组频繁投切启

动，紧急制动等工况对机组的影响是非常不利的，应在设

计上采取措施降低此类情况发生的概率。

（四） 风力发电场的规模大小

目前，我国正在进行全国电网互联，电网规模日益增

大。对于接入到大电网的风电场，其容量在电网总装机容

量中占的比例很小，风电功率的注入对电网频率影响甚

微，不是制约风电场规模的主要问题。然而，风能资源丰

富的地区人口稀少，负荷量小，电网结构相对薄弱，风电

功率的注入改变了电网的潮流分布，对局部电网的节点电

压产生较大的影响，成为制约风电场规模的重要问题。

风力发电的原动力是不可控的，它是否处于发电状态

以及出力的大小都决定于风速的状况，风速的不稳定性和

间歇性决定了风电机组的出力也具有波动性和间歇性的特

点。在现有的技术水平下风力发电还无法准确预报，因此

风电基本上是不可调度的。从电网的角度看，并网运行的

风电场相当于一个具有随机性的扰动源，对电网的可靠运

行造成一定的影响。由此可见，确定一个给定电网最大能

１ １０ ０中囡高新技松 ２０１１ ０２

够承受的风电注入功率成为风电场规划设计阶段迫切需要

解决的问题。

（五）桨叶的调节

当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因突面的弯

曲而使气流加速，压力较低；凹面较平缓面使气流速度缓

慢，压力较高，因而产生升力。桨叶的失速性能是指它在

最大升力系数ＣＴＭＡＸ、附近的性能。当桨叶的安装角Ｂ不

变，随着风速增加攻角ｉ增大，升力系数ｃＴ线性增大；在

接近ＣＴＭＡＸ时，增加变缓；达到后ＣＴＭＡＸ开始减小。另一方

面，阻力系数初期不断增大；在升力开始减小时，阻力系

数继续增大，这是由于气流在叶片上的分离随攻角的增大

而增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼型效应，与未

分离时相比，上下翼面压力差减小，致使阻力激增，升力

减少，造成叶片失速，从面限制了功率的增加。

失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，

因而根部叶面先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖

处扩展，原先已失速的部分，失速程度加深，未失速的部

分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少，未失速部分仍

有功率增加。从而使输人功率保持在额定功率附近。

（六）风资源多少的影响

年平均风速：以测量记录的风速计算出的某一高度的

年度平均风速。

风功率密度：气流垂直通过单位面积的风的能量，单

位：Ｗ／ｍ 年有效风速小时：在一年之中风速在３￣２０ｍ／ｓ之间

出现的累积时间。年有效风能功率密度：根据年有效风速范

围内采集到的数据计算出单位垂直面积的风的能量。下表是

不同风资源对风力发电机组功率的的影响程度：

１０米 ５０米

萼 憝 § 遴｜ ｌ、

１ ‘１Ｏ０ ４４ ＜２００ ５．６

２ １００．１５０ ５．１ ２００－３Ｏ０ ６

３ １５０—２Ｏ０ ５６ ３００－４Ｏ０ ７ ０

４ ２００—２５０ ６Ｄ ４００－５ｏ０ ７ ５

５ ２５０－３Ｏ０ ６４ ５００－６００ ８Ｄ

６ ３００－４Ｏ０ ７Ｄ ６００－８００ Ｂ君

７ ４０ｏ一１ｏｏ０ ９４ ８００－２ｏ００ １１ ９

注：表中数据，不同高度的年平均风速参考值按风切

变指数为１／７推算；与风功率密度上限值对应的年平均风

速参考值，按标准大气压，按瑞利风频分布进行推算。ｏ

参考文献

【１］１ 何东升，刘永强．王亚．并网型风力发电系统的研究ｍ．高电压

技术，２００８，（１）．

【２］ 中国新能源网，ｈｔｔｐ：／／ｖｃｗｗ．ｎｅｗｅｎｅｒｇｙ．ｏｒｇ．ｃｎ／ｗ＿ｅｌｅｔｒｉｃｉｔｙ．

【３】 纪世东．我国发展风力发电的若干问题及对策【Ｊ】－电力设备。

２００４，（ｔ）．

［４］ 王丽婕．风电场发电功率的建模和预测研究综述【刀．电力系统

保护与控制，２００９，（１３）．

作者简介：马驰（１９８０－），男，内蒙古中广核风力发电有限公司助理工

程师。研究方向：风力发电。

（责任编辑：叶小坚）