近年來，隨著風電機組設計水平的不斷提高，變速恆頻的風電機組已逐漸成為風電機組廠家的主流設計方案，其特點在於風電機組葉輪轉速允許根據風速情況在相當寬的範圍內變化，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，還會受到風電場空氣密度的影響。
目前，大多數風電機組製造商在選擇風電機組的控制策略時，僅根據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生的影響。鑑於中國複雜的地形環境，同一地區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計的最優輸出功率值，因此風電機組製造商在設計風電機組時，應該根據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出的影響，調整並優化風電機組控制策略，確保風電機組儘可能多地捕獲風能。
風電機組控制策略
風電機組的控制系統(圖1)是通過對控制器進行設計，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，同時確保控制過程的動態穩定性。
從圖2可以看出，風電機組在運行過程中，只有在最佳轉矩T的狀態下，才能獲得最大輸出功率P。無論風電機組運行轉矩大於或小於最佳轉矩T，都會出現實際輸出功率小於最大輸出功率P的狀況。
空氣密度與轉矩的關係
空氣密度與轉矩的關係式：
空氣密度與轉矩成正比，當風電場空氣密度發生變化時，轉矩也會隨之改變。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生改變，轉矩受到風電場空氣密度變化的影響，也隨之發生改變，從而偏離廠家設計的最佳轉矩，風電機組輸出功率也就達不到廠家設計的風電機組控制策略中的最大輸出功率值，必然會存在發電量的損失情況。
實例分析
本文根據中國的地理狀況，選取南方沿海、北方內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，以達到當地空氣密度下的最優發電量。
本文利用某風電機組廠家提供的當地年平均空氣密度下的功率曲線，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電量損失值。
廣東某風電場
根據該風電場的氣象站資料庫得知，當地多年平均空氣密度為1.167kg/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。
根據圖3中該風電場每月空氣密度的變化情況，發現此區域空氣密度變化幅度較大，廠家在設置風電機組控制策略時，可以按每月平均空氣密度逐月設計之相對應的風電機組控制策略，從而實現風電機組每月都能達到最佳輸出功率的狀態。
從圖4可以看出，只要空氣密度偏離年平均空氣密度，無論高於或低於年平均空氣密度，風電機組輸出功率都會低於設計值，出現損失情況;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計的輸出功率做對比，發現該風電場全年因空氣密度引起的功率損失約0.33%，即全年理論發電量損失約24.75萬千瓦時。
2黑龍江某風電場
根據黑龍江某風電場的氣象站資料庫得知(表3)，當地多年平均空氣密度為1.259kg/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，無論空氣密度高於或低於年平均空氣密度，風電機組輸出功率都會低於設計值，出現損失情況。將每月空氣密度下實際輸出功率與廠家控制策略中設計的輸出功率做對比，發現該風電場全年因空氣密度引起的功率損失約0.58%，即全年理論發電量損失約59.4 萬千瓦時。
結語
根據以上兩個案例發現，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計值，風電機組無法達到其廠家控制策略中最佳設計值，就會存在發電量損失情況。因此風電機組廠家在設計風電機組的控制策略時，不能全年僅採用單一的風電機組控制策略，應該考慮一年內空氣密度變化對風電機組輸出功率產生的影響，採取一年內按月、季度或者半年多次調整控制策略的方式來優化風電機組的運行，使風電機組儘可能多地處於最佳轉矩狀態，充分捕獲風能，獲得最大輸出功率。
(來源：《風能》2015年第12期 作者：劉麗麗 作者單位：中國大唐集團新能源股份有限公司)
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