近年來，隨著風電機組設(shè)計水平的不斷提高，變速恒頻的風電機組已逐漸成為風電機組廠家的主流設(shè)計方案，其特點在于風電機組葉輪轉(zhuǎn)速允許根據(jù)風速情況在相當寬的范圍內(nèi)變化，從而使得風電機組獲得最佳的功率輸出。然而，在風電機組的實際運行過程中，風電機組輸出功率不僅與風速有關(guān)，還會受到風電場空氣密度的影響。

目前，大多數(shù)風電機組制造商在選擇風電機組的控制策略時，僅根據(jù)風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電機組輸出功率產(chǎn)生的影響。鑒于中國復雜的地形環(huán)境，同一地區(qū)空氣密度隨時間推移波動較大，導致風電機組輸出功率達不到廠家設(shè)計的最優(yōu)輸出功率值，因此風電機組制造商在設(shè)計風電機組時，應(yīng)該根據(jù)風電場隨全年空氣密度變化的實際情況，分析不同控制策略對功率產(chǎn)出的影響，調(diào)整并優(yōu)化風電機組控制策略，確保風電機組盡可能多地捕獲風能。

風電機組控制策略

風電機組的控制系統(tǒng)(圖1)是通過對控制器進行設(shè)計，選擇與風電機組運行相匹配的控制策略，控制風電機組使其在各種風況下均能獲得最佳的功率輸出，同時確?？刂七^程的動態(tài)穩(wěn)定性。

從圖2可以看出，風電機組在運行過程中，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。無論風電機組運行轉(zhuǎn)矩大于或小于最佳轉(zhuǎn)矩T，都會出現(xiàn)實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，當風電場空氣密度發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)矩也會隨之改變。在風電機組的實際運行過程中，風電場空氣密度隨時間推移發(fā)生改變，轉(zhuǎn)矩受到風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)計的最佳轉(zhuǎn)矩，風電機組輸出功率也就達不到廠家設(shè)計的風電機組控制策略中的最大輸出功率值，必然會存在發(fā)電量的損失情況。

實例分析

本文根據(jù)中國的地理狀況，選取南方沿海、北方內(nèi)陸兩個具有代表性的風電場開展研究，分析不同地域風電場中風電機組輸出功率受空氣密度的影響程度，為風電機組確定不同的控制策略，以達到當?shù)乜諝饷芏认碌淖顑?yōu)發(fā)電量。

本文利用某風電機組廠家提供的當?shù)啬昶骄諝饷芏认碌墓β是€，與風電場每月空氣密度下實際輸出功率作對比，分析每月功率損失值，最終得出全年因空氣密度影響導致的發(fā)電量損失值。

廣東某風電場

根據(jù)該風電場的氣象站數(shù)據(jù)庫得知，當?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)置風電機組控制策略時，可以按每月平均空氣密度逐月設(shè)計之相對應(yīng)的風電機組控制策略，從而實現(xiàn)風電機組每月都能達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，風電機組輸出功率都會低于設(shè)計值，出現(xiàn)損失情況;而且實際空氣密度偏離年平均空氣密度越大，風電機組輸出功率損失越多。將每月空氣密度下實際輸出功率與廠家控制策略中設(shè)計的輸出功率做對比，發(fā)現(xiàn)該風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。

2黑龍江某風電場

根據(jù)黑龍江某風電場的氣象站數(shù)據(jù)庫得知(表3)，當?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，風電機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，風電機組輸出功率都會低于設(shè)計值，出現(xiàn)損失情況。將每月空氣密度下實際輸出功率與廠家控制策略中設(shè)計的輸出功率做對比，發(fā)現(xiàn)該風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。

結(jié)語

根據(jù)以上兩個案例發(fā)現(xiàn)，在風電機組的實際運行過程中，只要空氣密度偏離廠家提供的風電機組控制策略設(shè)計值，風電機組無法達到其廠家控制策略中最佳設(shè)計值，就會存在發(fā)電量損失情況。因此風電機組廠家在設(shè)計風電機組的控制策略時，不能全年僅采用單一的風電機組控制策略，應(yīng)該考慮一年內(nèi)空氣密度變化對風電機組輸出功率產(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)化風電機組的運行，使風電機組盡可能多地處于最佳轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，充分捕獲風能，獲得最大輸出功率。