风电场性能评估

硕士学位论文

学术学位

风电场性能评估方法研究

STUDY ON THE EVALUATION METHOD OF WIND FARM

PERFORMANCE

单凯

2016年3月

中图分类号：TP311 学校代码：10188 UDC：004 密级：公开

风电场性能评估方法研究

硕士研究生 导 师 学位类别 学科专业 所 在 单 位 答 辩 日 期 授予学位单位

： 单凯 ： 娄建楼 ： 工学硕士 ： 计算机科学与技术 ： 信息工程学院 ： 2016年3月 ： 东北电力大学

Classified Index: TP311 U.D.C: 004

STUDY ON THE EVALUATION METHOD OF WIND FARM

PERFORMANCE

Supervisor： Lou Jianlou Academic Degree： Master of Engineering

Speciality： Computer Science and Technology Date of Defence： March.2016

Affiliation： School of Information Engineering

Candidate： Shan Kai

Degree Conferring Institution： Northeast Dianli University

摘 要 摘 要

风电场的性能取决于可用风资源、风电场的功率特性和风电场的出力情况。由于风电场前期设计时的失误、风电机组质量问题、风电机组缺乏维护以及部件老化等原因，绝大多数风电场的实际发电量比预测发电量要低。如果对风电场的性能缺乏评估，就难以定位风电场发电量低的根源，对实现风电场的精维护有很大的阻碍，大大降低了风电场的经济效益。本文首先提出了风电场性能评估算法模型，然后分别对评估算法模型中的功率特性、风电场出力结构进行了重点研究，最后结合风电场实例对该模型给出有效性验证。

利用可用风资源、风电场功率特性和风电场出力在能量维度上的统一性，提出了风电场性能评估算法模型，将三个单独评估方面结合起来，实现了风电场性能的综合评估。

在风电场功率特性评估方面，对基于机舱风速计的功率特性评估方法进行了研究。该方法在不增加测风设备经济成本的情况下，可以对未配置测风塔的风电机组进行功率特性评估，进而实现对多台风电机组功率特性的联合评估，可以更好的代表整个风电场的功率特性。

针对风电场运维人员对风电机组运行在不同状态下的出力情况缺乏细致的了解、而致使机组缺乏及时维修维护、运行效率低下和能量流失问题，提出了基于改进的DBSCAN等算法的风电场出力结构分析算法，对机组的不同运行状态进行识别，进而实现机组和风电场的出力结构分析。

结合风电场实例，对提出的风电场性能评估方法进行验证和分析。利用混合NTF校正整场机舱风速数据，并进行数据插补和数据标准化。然后根据风电场性能评估模型，计算出风电场的理论发电量、性能损失发电量、尾流损失发电量及风电场各个运行状态下的损失发电量和能量利用率等。实验结果表明，本文提出的风电场的性能评估方法比传统方法评估效果更加全面和准确，给风电场运维管理、风电机组技术改进和风电场考核等提供了科学的指导。

关键词：风电场；风电机组；风资源；性能评估；功率特性；出力结构模型

I

东北电力大学工学硕士学位论文 Abstract

The performance of wind farms is mainly dependent on the available energy potential, the wind power characteristics and the availability of technology. Due to the early stage of the wind farm design mistakes, wind turbine quality problems, the lack of maintenance for wind turbines and components ageing, most of the wind farm actual power is lower than forecast capacity, if lack of evaluation on the performance of the wind farm, it will be difficult to locate the source of low power of wind farm generating, and it will great a lot of obstacles to achieve wind farm maintenance, greatly reducing the economic benefits of wind farms. Wind farm performance evaluation model is put forward at first in this paper. Then the power characteristics of wind farm and wind farm output structure are respectively detailed studied. Finally, wind farm performance comprehensive evaluation model is validated combining with engineering example.

In this model, available wind resources, the power characteristics of wind farm and wind farm output structure are combined in the dimension of energy and the wind farm performance evaluation model is put forward so that the comprehensive performance of wind farm could be evaluated.

In the evaluation of power characteristics of wind farm, this paper studied the power characteristics of evaluation method which is based on the nacelle anemometer. Under the condition of without any increase in wind equipment economic cost, this method can evaluate power characteristics of wind turbines which is not configured wind tower, so as to realize the joint assessment of power performance for many wind turbines.

Wind turbines were lack of timely maintenance, operation efficiency is low and energy were lost, due to the reason of wind farm operations staff were lack of detailed knowledge on power output of wind turbines operating in different state. Wind farm output structure model which was based on improved DBSCAN algorithm was proposed, which can identify the different running condition of the unit and analyze the corresponding output.

The wind farm performance evaluation method is evaluated with the wind farm engineering example. The wind farm data is corrected by the NTF hybrid model, then the corrected data is filled up and standardized. Furthermore, the generating volume in theory of wind farm, the lost power of wind farm capacity performance, the power loss by wake, the lost power under various running status of wind farms and energy utilization ration are calculated with the performance evaluation model. The result shows that the method this paper proposed has more

II

Abstract comprehensiveness and veracity than traditional method, which provides scientific guide for realizing fine maintenance and management, technically improving and wind farm accessing.

Keywords：Wind Farm; Wind Turbines; Wind Resource; Performance Test; Power

Performance; Energy Generation Model

III

东北电力大学工学硕士学位论文 目 录

摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II 第1章 绪论 ................................................................................................................................... 1

1.1 课题背景及研究的目的和意义 ....................................................................................... 1

1.1.1 课题研究背景 ......................................................................................................... 1 1.1.2 课题研究目的和意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................... 2

1.2.1 风资源评估方法发展概况 ..................................................................................... 2 1.2.2 风电场功率特性评估方法发展概况 ..................................................................... 3 1.2.3 风电场出力分析方法发展概况 ............................................................................. 4 1.3 本文的主要研究内容 ....................................................................................................... 5 1.4 文章的结构和章节安排 ................................................................................................... 6 第2章 风电场性能评估相关信息及理论分析 ........................................................................... 7

2.1 风电机组及风电场组成分析 ........................................................................................... 7

2.1.1 风电机组结构分析 ................................................................................................. 7 2.1.2 风电场组成结构分析 ............................................................................................. 8 2.2 机舱自由流风速获取方法分析 ....................................................................................... 9

2.2.1 基于测风塔的风速测量方法 ................................................................................. 9 2.2.2 基于机舱风速计的测量方法 ............................................................................... 10 2.3 风电场功率特性判定指标分析 ..................................................................................... 11

2.3.1 风电机组功率 ....................................................................................................... 11 2.3.2 风能利用系数Cp .................................................................................................. 12 2.3.3 年发电量AEP ...................................................................................................... 13 2.4 本章小结 ......................................................................................................................... 14 第3章 风电场性能评估算法模型 ............................................................................................. 15

3.1 风电场性能分析 ............................................................................................................. 15

3.1.1 风电场数据获取 ................................................................................................... 15 3.1.2 风电场性能特点分析 ........................................................................................... 15 3.2 风电场性能评估算法 ..................................................................................................... 17

3.2.1 风电场功率特性评估方法分析 ........................................................................... 17 3.2.2 风电场出力结构分析 ........................................................................................... 18

IV

目 录 3.2.3 可用风资源评估 ................................................................................................... 18 3.2.4 风电场性能综合评估 ........................................................................................... 18 3.2.5 算法特性分析 ....................................................................................................... 19 3.3 本章小结 ......................................................................................................................... 19 第4章 风电场功率特性评估算法研究与实现 ......................................................................... 20

4.1 算法提出背景 ................................................................................................................. 20 4.2 风电机组功率特性评估算法 ......................................................................................... 20

4.2.1 Binned-NTF计算 .................................................................................................. 21 4.2.2 机舱风速校正和数据标准化 ............................................................................... 25 4.2.3风电机组性能评估算例分析 ................................................................................ 27 4.3 风电场功率特性评估算法研究 ..................................................................................... 30

4.3.1 总体算法介绍 ....................................................................................................... 31 4.3.2 风电场功率评估AEP不确定度计算 ................................................................. 31 4.3.3 风电场功率特性评估算例 ................................................................................... 34 4.4 本章小结 ......................................................................................................................... 37 第5章 风电场出力分析算法研究与实现 ................................................................................. 38

5.1 风电场出力结构模型的提出 ......................................................................................... 38 5.2 风电机组功率异常数据识别算法 ................................................................................. 39

5.2.1 数据预处理 ........................................................................................................... 39 5.2.2 Inner-DBSCAN算法研究与实现 ......................................................................... 41 5.2.3 边缘识别 ............................................................................................................... 44 5.2.4 数据分类 ............................................................................................................... 45 5.2.5 算法对比分析 ....................................................................................................... 45 5.3 风电场出力分析方法 ..................................................................................................... 46

5.3.1 风电机组出力分析方法 ....................................................................................... 46 5.3.2 风电场出力分析方法 ........................................................................................... 47 5.4 本章小结 ......................................................................................................................... 48 第6章 风电场性能评估模型验证分析 ..................................................................................... 49

6.1 风电场数据预处理 ......................................................................................................... 49

6.1.1 风电场数据采集 ................................................................................................... 49 6.1.2 风电场数据预处理 ............................................................................................... 50 6.2 风电场发电性能综合评估 ............................................................................................. 53 6.3 算例分析 ......................................................................................................................... 54 6.4 本章小结 ......................................................................................................................... 57 结论 ............................................................................................................................................... 58

V

东北电力大学工学硕士学位论文 参考文献 ....................................................................................................................................... 59 攻读硕士学位期间发表的学术论文 ........................................................................................... 63 东北电力大学学位论文原创性声明和使用权限 ....................................................................... 64 致谢 ............................................................................................................................................... 65

VI

第1章 绪 论 第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题研究背景

目前，人类在地球上可用的能源不外乎两类：一类是不可再生能源，如煤、石油和天然气等；另一类是可再生能源，如水能、风能、太阳能、核能等[1]。然而，不可再生能源并不能够无止境的满足人们的需求，并且还会给人类的生存环境产生日益严重的影响，人类正遭遇着空前的能源危机。举行的第二届环太平洋煤炭会议数据显示，在保持现有的技术水准和以现在人们开采的速度来看，在不到两百年的时间内，全世界范围内所有的不可再生资源将会被开采尽，其中石油的枯竭速度最快，其次为天然气，最后是煤[2]。同时，人口增速上涨、经济的发展使得对能源的需求越来越多，从而更进一步地造成了能源的供给和需求不平衡，面临的矛盾与日俱增。不仅如此，化石能源的燃烧对环境的污染已经达到了零容忍的地步，出现了像燃烧产生的二氧化硫造成的酸雨现象、臭氧层空洞问题、温室效应使得全球变暖等现象，人类已经走到了不得不去面对这些问题的紧迫时期。

因此，探索和开发清洁可持续的新能源变得尤为重要。在目前可用的清洁能源中，风能具有存储容量大且清洁的特点，因而深受世界诸多国家的喜爱，风能的地位与日俱增[3-4]。伴随着人们对风电的青睐，世界各国也在不断加大对制造风电机组的研究，其研究制造水平也在不断增长。一方面，风电机组的单机容量从一开始的不到100KW，一直发展到现在的1.5MW、2.0MW甚至5MW级别，这些兆瓦级别的机组已经成为了主流；另一方面，在二十世纪末我国每一个风电场装机容量才几兆瓦，而现在有的风电场已经能够达到了几百兆瓦的水准，其规模在总体上呈现逐步上升的趋势[5]。

1.1.2 课题研究目的和意义

伴随着风电机组不断提升的单机容量，风电机组的组成也变得越来越庞杂。风电机组的生产厂商对于该产品的保质期通常只有一两年的期限，尽管机组在设计时通常要求其能够达到二十年的使用期限，产品保质期限与设计使用期限的要求有很大的差距。由于风电机组长时间受到大小、方向伴随着时间的不同而呈现周期性变化的载荷的作用，并且风电机组的工作环境非常恶劣，因此机组在此双重影响下就会产生非人为的机械不能正常工作的状况，从而使得机组的工作性能受到影响，最终使得产生的电量变低[6]。况且，即使外界条件都很好的情况下，由于机械在长时间的运行过程中也会使得可靠性降低，更容易引发故障。这样一来就会增加后期用来运行风机和对风机进行维护的开销，从而使得风电机

- 1 -

东北电力大学工学硕士学位论文 组不具有较强的经济性，更甚者其安全性也不能完全得到保证。由于风电机组的质量保质期比较短，在保质期过后风电机组生产厂商就不再对机组的质量进行负责，这样一来就增加了风电场业主不得不花费额外的费用，来对风电机组进行维修和维护。

由于风电场的功率特性、风电机组故障、电网限电和风电场设计缺陷等原因造成大量的发电量损失，绝大多数风电场的实际发电量比预测发电量要低，如果不对风电场的性能进行评估，就会导致发电量低的根源有很大的不确定性，对实现风电场的精维护有很大的阻碍，造成了很大的隐形经济损失。而且随着单个风电场装机容量的提升，风电场性能对风电场效益及电网调度有着更大的影响，有效的风电场性能评估更具有紧迫性。

因此，风电场的性能进行评估对风电场经营管理、风电场运行维护、风电场考核和维护风电场的利益等方面是十分必要的，这项工作的意义如下：

（1）通过风电场性能中的功率特性评估，可以从风电场的整体层面验证风电机组有没有达到设计标准，据此为机组设计、机组制造工作者提出技术和工艺改进指导，从而提高机组整体质量。

（2）通过风电场性能中的出力情况分析，风电场业主可以及时了解风电场的出力情况，为运行人员提供更加细致的风电场出力信息，从而方便运行人员及时、合理地制定和修改运行规划，保证风电场的高效运行。

（3）通过对风电场性能的综合评估，可以及时发现风电场内机组整体性能问题及通用零部件故障，从而及时告知运维人员调整运行维护计划，以免进一步严重的故障，以防带来更大经济损失，避免设备和人身安全问题。

（4）通过对风电场的综合性能评估，可以使问题指向更加明显，增强可操作性，明确导致发电量损失的责任方，定量衡量风电场性能问题、增加客观性和说服力。可以更加精确的定位问题，量化生产过程中的每个环节导致的损失发电量。

1.2 国内外研究现状

对风电场性能的评估主要从三方面进行：可用风资源、风电场功率特性、风电场出力情况，因此本章将对风资源评估发展概况、风电场功率特性评估发展概况和风电场出力分析方法发展概况进行阐述。

1.2.1 风资源评估方法发展概况

国外，Sreevalsan学者阐述了风电场设计前期风资源评估，在宏观选址阶段、可行性研究阶段和微观选址阶段利用了地形图、气象站资料、卫星气象、建立测风塔等技术手段和WAsP、Wind Farmer、Windsim和Windpro等商用风电场软件来进行风资源的评估[7]。Palma阐述了风电场建设前期利用线性和非线性模型进行风资源的评估[8]。Bechrakis将一个测试场地短期数据与参考场地长期数据的关系利用ANN算法联系起来进行推演出测试

- 2 -

第1章 绪 论 场地的风资源[9]。Christiansen利用一些列随机选择的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)图像进行风资源的评估[10]。提出了利用测风塔进行风资源的评估，并说明了风资源评估的不确定度来源，从测风不确定度到功率曲线不确定度，进行了风资源不确定度的评估。Albers利用风电场中所有机组的机舱风速计风速进行风资源的评估，然而机舱风速并非为机舱处自由流风速，风资源评估结果会有很大的不确定性[11]。

国内，GB/T委员会总结了我国风电场项目选址过程中评估风能资源的经验基础上，并参考国外有关标准和规范编制了风资源评估标准GB/T18710-2002。国内在很多工程实践中会利用生产用塔进行风资源的评估，然而由于测风塔的竖立不足以代表所有风向的风资源情况，代表性不够全面。

综上所述，国内外基本上集中于风电场设计前期所进行的风资源评估，而在风电场运营之后对风电场风资源评估研究和实践非常不足。

1.2.2 风电场功率特性评估方法发展概况

风电场的功率特性是评价风电场性能的重要标准，它对风电场的年发电量起着直接的作用。单台风电机组的功率特性是风电场的功率特性构成的基础，而单台机组功率特性评估的关键是测量到准确的机舱自由流风速[12]。

图1-1 某1500KW机型风机实测功率特性曲线与风机厂商提供的保证功率曲线对比图

国外，风电场功率特性评估起步较早，凭借雄厚的科技底蕴以及欧盟对新能源发电的重视，功率特性评估方法不断得到改进。国际电工委员会于1998年2月颁布了IEC 61400-12-1标准[12]。并且于2005年12月颁布了IEC 61400-12-1标准的第二版[13]。这一标准的两个版本主导了15年来风电行业进行风电机组功率特性评估，极大的促进了世界上风电机组功率特性评估进行标准化工作。然而，这个标准在实际应用中有经济方面、工程实施和地域方面的局限性。因为在现实中，风电公司一般只选择风场中一台具有代表性的风电机组进行功率特性评估，以此来代表整个风电场功率特性，这样就在很大程度上无法

- 3 -

东北电力大学工学硕士学位论文 保证其它风电机组合乎风电机组制造商提供的保证功率曲线，从而无法保证整个风场发电量达标； 2002年，B.Smith和H.Link讨论了基于机舱风速计的风电机组功率特性评估的可用性，并根据实验，得出了机舱风速和自由流风速的线性关系，然而未对这个线性关系给予有效性验证，未对评估机组周围障碍物、地形因素给予考虑，也没有给出评估不确定度等可实施的具体办法[14]。2013年1月，Rozenn Wagner等人系统阐述了用激光雷达测试单台风电机组水平自由流机舱风速的方法，其测量精度比较高，但是花费成本高昂[15-16]。2013年3月国际电工委员会颁布了IEC 61400-12-2标准，它的内容是基于机舱风速计的风电机组功率特性评估，它构建了测风塔风速和机舱风速计风速的函数关系，并用这个函数将机舱风速校正为机舱自由流风速[17]。

国内风电场功率特性评估起步较晚。2006年3月，李庆根据IEC 61400-12-1标准提出了风电机组功率特性的现场测试方法、测试步骤、测试方案和硬件配置做出了系统的分析，成为国内最早的研究功率特性评估的人之一，其进行的功率特性评估也是严重依赖于测风塔[18]。2009年2月，刘昊根据IEC 61400-12-1标准对大型风电机组提出了基于实时数据的功率特性评估方法。2010年11月，杨天时根据对机舱尾部风速测点的风速流动状态进行了有限元数值模拟，结果表明风电机组风速计所在位置的风速与风轮前方的实际来风风速具有线性关系，利用这个线性关系对机舱风速进行校正，然而这个模型是纯理论性的分析，与实际上的关系有一定的差异。

综上，传统的风电场功率特性评估一般以单台机组评估结果代替整场的结果，缺乏全面性；新型风电场功率特性评估方法有一定的可行性，但在理论上略显不足。

1.2.3 风电场出力分析方法发展概况

1999年Albers等人提出计算风电场实际发电量和理论发电量的关系来表明风电场能量利用情况，然而这对于风电场运维人来说是远远不够的。R.Thompson提出用CF（风电场的容量系数）来衡量风电场的性能，但同样小时数的发电量，风大的年份与风小的年份是不同的，因此用发电量和风电场容量系数进行评估的时候，一般只拿统计时间段内的平均风速作为参考，得到一个大概的对比尺度，它隐瞒了真实情况的风能和潜在发电能力。行业内有时用TBA（设备可利用率）以设备的可靠性评价风电场性能，不过风大时段停机损失发电量远超过小风时段损失发电量，因此TBA无法区分大风时段与小风时段风电场出力情况。近年来中国的弃风限电问题严重，因此有人提议用弃风率来衡量风电场的性能，但这会让风电场把弃风限电当成推卸发电量低的原因，隐瞒了设备可靠性和运行性能方面的原因，设备商和运营商对提升发电量的努力会持消极态度。业内有时根据MTBF（平均故障间隔时间）衍生出了风力发电范围内专属的MTBT（无故障运行时间），MTBT可以非常好的评价风电场的可靠性程度，但只是靠MTBT不能够为风电场的精细化管理提供充

- 4 -

第1章 绪 论 足的信息，原因是MTBT只考虑了故障频次，却疏忽了机组停机的时间和停机时段风资源等影响发电量的因素。

梅华威学者发明了风电场发电量损失计算模式。它的原理是拿风机SCADA历史数据建立与功率特性相关的专家库[19]。利用构建的数据库得到多条实测功率曲线模型。将机组异常时段或丢风时段的实际测得风况数据带入到功率曲线模型，能够计算出风电场在某个时期的损失发电量。

一般情况下，在风电场选址时的风资源评估阶段需要对风电场理论发电量进行调研。但由于年平均风速的10%变化率、风电场功率特性与厂家保证的差异、机组技术上的可用性和电网限电等原因，造成实际发电量与理论发电量有很大的差异性。

综上所述，通过风电场容量系数、设备可利用率、平均无故障时间以及通过理论发电量与实际发电量的比值，能从某种程度上判断风电场出力情况，但对风电场损失的发电量无从知晓；而现有的风电场出力模型过于简单，无法进一步挖掘的风电场损失电量的具体原因。

1.3 本文的主要研究内容

传统的风电场性能评估往往从单一方面进行，缺乏全面性，本课题主要是从能量维度方面将可用风资源、风电场的功率特性、风电场的出力结构进行统一，提出了风电场性能的综合评估方法，对风电场性能进行有效、全面的评估。主要研究内容具体如下：

综合研究了风电场性能特点，总结其性能规律，提出了风电场性能评估算法模型，该模型以能量维度为尺度，综合考虑衡量风电场性能的三方面因素，使得该模型能够对风电场性能进行全面的评估。

研究了风电场性能功率特性方面的评估方法。研究了基于机舱风速计的风电机组功率曲线评估方法，并在此基础上进行拓展，提出了风电场整体层面的功率特性评估方法，并计算了AEP不确定度。

研究了风电场性能风电场出力方面的分析方法。提出了风电场出力结构模型，并提出Inner-DBCAN等算法来识别风电场内机组的不同运行状态，对机组运行数据进行分类，计算出风电场在每种状态下的实际发电量和损失发电量。

结合风电场实例，对提出的风电场性能评估算法模型进行验证和分析。研究了利用混合NTF校正风电场整场机舱风速和全场中值插补等数据预处理方法，将全场风速数据标准化，结合风电场功率特性评估和风电场出力分析算法，得到理论发电量、两种应发电量、每种损失发电量和超发电量，最终得到两种EBA和每种能量损失率等。

- 5 -

东北电力大学工学硕士学位论文 1.4 文章的结构和章节安排

文章首先以能量维度为尺度，综合可用风资源、风电场功率特性和风电场出力结构，提出风电场性能评估算法模型，然后针对算法模型中的风电场功率特性评估算法和风电场出力分析算法进行专门研究，最后利用风电场实例验证本文提出算法模型的有效性。全文共6章，划分为四部分，即引论（第1-2章）、风电场性能评估算法模型（第3章）、风电场性能评估算法模型关键步骤(第4-5章)，风电场性能评估算法模型验证（第6章）。

第1章是绪论，回顾了课题的来源以及相关的研究动态，在1.3节中概括了本文的主要研究内容。

第2章系统的分析了当前风电机组和风电场的重要组成、机舱自由流获取方法、风电场功率特性判定指标，为后续进行风电场性能综合评估提出作了技术铺垫。

第3章从能量维度上综合了可用风资源、风电场功率特性和风电场出力结构，将三者统一到一个标准下，提出风电场性能评估算法模型。

第4章主要论述了基于机舱风速计的风电场功率特性评估算法，对该方法中校正机舱风速的机舱传递函数进行了研究分析，得到最佳形式的传递函数为Binned-NTF；然后对提出的方法进行实验验证，并与原有的功率特性评估方法进行对比，最后对本章内容进行总结。

第5章针对风电机组不同的运行状态进行了研究，定义了一个由4部分组成的出力结构，然后分别利用提出的Inner-DBSCAN 算法、边缘识别算法、数据重聚类等算法进行机组数据分类，得到机组和风电场不同运行状态下对应的数据，并计算出实际发电量和不同状态下的损失发电量或超发电量。

第6章结合风电场实例，对风电场性能评估算法模型进行验证和分析，通过与已有的算法进行实验对比，验证本文提出方法的有效性。

- 6 -

第2章 风电场性能评估相关信息及理论分析 第2章 风电场性能评估相关信息及理论分析

风电场是以风电机组为基本构成单位，基于地理环境、风况、气候因素、电气因素和现实条件进行布局设计的，本章首先对风电机组及风电场的组成进行分析。机舱自由流风速测定方法是评估风电场性能的重要基础，对两种机舱自由流风速测定方法进行了分析。风电场功率特性是风电场性能的基础，因此最后对风电场功率特性中的功率、风能利用系数和年发电量进行了分析。

2.1 风电机组及风电场组成分析

2.1.1 风电机组结构分析

经济在不断进步，人们对于风电技术也有了更高的追求，发电水平也不断提升，风电场的规模逐步增大，随之产生了各式各样的风电机组。尽管单机容量不断提高，但是它的基本组成结构基本上是不变的，一般主要包括以下几部分，见图2-1。

图2-1 风电机组结构示意图

风电机组的重要组成结构如下：

（1）叶轮 它把风能转化为机械能。叶轮在风机结构中占有最重要的位置，并对它的成本和性能有着重要影响。目前市面上大多为三叶片、上风式。

（2）传动系统 风机中的转动零部件均为传动系统。

（3）机舱和偏航系统 包括底板、机舱盖和偏航系统。偏航系统是允许风轮得到最大风能的转向结构，它的主要构件是齿轮。

- 7 -

东北电力大学工学硕士学位论文

（4）控制系统 由机舱柜、传感器等构件组成。在非常恶劣的条件下，风电机组的控制系统需保障机组运行在稳定的电压和频率下，同时起到监管的职责，作为一种反馈系统能够监察每个部件在运行过程中出现的异常状况，一旦不正常运行就会发出报警信号，作出自动停机等反应。

2.1.2 风电场组成结构分析

风电场是风电机组运行所依托的载体，它的电气部分组成和风电场排布方式对风电场的实际发电量的多少起着直接作用。

（1）风电场的电气结构分析 风电场的电气结构组成主要包括N台风电机组、箱式变压器、集电线路、升压变压器和风电场送出线路，如图2-2所示：

图2-2 风电场电气组成

①箱式变压器。它将风电机组的电压从六百九十伏升压至十千伏或三十五千伏，每台风电机组和一台箱式变压器一一映射。

②集电线路。风电机组发的电经由箱式变压器进行升压，然后由集电线路把电输送至升压站。

③升压变压器。升压站中的升压变压器对电力进行升压，然后送出。 ④风电场输出线路。升压变压器把电压提升后通过线路送到电网。

- 8 -

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/b2ut.html