如何更加科学理性地认识《功率曲线打假》

　　最近风电微信圈大家讨论比较多的可能是《功率曲线打假技术简介》一文(以下简称《打假》文)。一来，可能是因为风电行业深受功率曲线造假的伤害，很多风机投标功率曲线浮夸中标，实际运行发电量不达标，测试功率曲线又难操作，成本大，业界同仁都希望得到类似《打假》一文这样简明快的方法;二来，功率曲线的获得需要整机系统设计和仿真，涉及较为复杂的控制动态过程,没有对控制系统和空气动力学原理以及它们之间的关联性有深刻理解,恐怕较难说清楚来龙去脉，《打假》一文显然最后只能从非常粗浅的教科书的理解出发,得出了大多数机组的发电功率曲线只与其扫风面积和整机Cp有关，也就是说只要是同样风轮直径的机组，功率曲线应该基本重合这样简单粗暴的结论，更为简单粗暴的是，作者甚至都抛开了教科书公式，直接给出了所有机组的最大Cp只能是在0.495以内，并且还要用效率系数来进行折减，进而得出了所有的机组的功率曲线都应该在0.46以下的结论，喜欢逻辑推导的读者甚至不难发现，尽管该文试图贯穿那个简单的教科书公式，但是这个结论也是横空出世，不过作者显然也注意到了，公开可以查证国际主流机型的功率曲线的Cp却有很多都远远超出了他的理解范围，而被作者冠以“神机”而一笔带过，不想也不去理解和深究。
　　那么是不是真的对一个功率曲线的理解可以这样简单粗暴，找到一个简单区分“李逵”和“李鬼”的办法呢?
　　我们首先从叶轮说起，不同叶轮的Cp不能一概而论。不同的叶片翼型、柔性、整体设计、失速特性完全不一样，在不同湍流下的最优桨距角，源头上就会影响叶轮的Cp，所以Cp是一个叶片设计时就决定的静态效率参数，但是在理解Cp这个参数的同时，我们一定要理解这样一个叶片的静态设计参数Cp达到的前提假设是叶尖速比(叶片叶尖速与此时流过叶轮的风速之比)恒定达到设定假设的前提下，风轮叶片才可以获得的Cp，而实际情况是，叶轮的叶尖速和风速的比即叶尖速比是和风速的变化密切相关的，我们在无法预知风速下一刻变化的情况下，要想保证我们的叶轮叶尖速和风速的比值是一个预先设定的常数，这时，对风机的控制系统性能的重要性恐怕远远高于叶片本身的设计的理论Cp，当然这些，风能手册教科书里的公式是不会告诉你的。
　　所以不能简单的看一个Cp的值，如果大家真的关心Cp，一定要看的是一个Cp和叶尖速比的关系曲线，因为离开如何维持预先设定的最优叶尖速比来谈Cp是毫无意义的，而实际在运行的风机是不可能静态的工作在预先设定的最优叶尖速比工作点上的，所以我们一定要动态来看这个叶尖速比和叶片效率系数Cp的关系曲线。
　　过去常见的叶片，其Cp和叶尖速比的图在一个宽的风速范围内比较平(图1曲线1)，但是不高，这样的叶片对机组的控制u系统要求不高，即使控制系统无法动态自适应快速响应追踪最佳Cp，风速变化引起叶尖速比λ左右波动变化后，造成的Cp波动也不大，平均Cp不会受到很大影响。即使机组控制系统性能不佳，效率损失也不会太大。但是，获得上述好处的同时也牺牲了一定的效率，因为随着叶片技术的发展，新型叶片研发技术及整体设计，使Cp和叶尖速比λ关系图可以更尖更高(图1曲线2)。这类叶片和过去叶片相比，明显可以获得更高的CpMax。但是最佳Cp受叶尖速比λ影响更敏感，仅仅在很狭窄的范围内维持较大值。由于CpMax变高变尖，对控制系统有两个很高要求：一个是控制系统要让风轮工作在最佳叶尖速比上，第二是控制系统要提供更快的跟踪性能。 　　图1中2所示这类叶片要求机组具有更迅速跟踪叶尖速比λ变化的控制系统，国内很多厂家由于主控系统采用图纸转让方式获得，无法在其新机型上完全消化过去技术，其Cp值往往没有大的变化，甚至随着叶轮直径增大有所降低。而反观国外几家一流风机厂家，细心的读者即使去比较同一厂家不同机组功率曲线的演进过程，也会发现随着叶片技术和主机控制技术的进步，其叶轮直径增大以后，Cp值不但没有降低，反而有所升高，说明这些厂家在整机的叶片技术和控制技术，甚至传动效率上都有重大突破，没有受制于叶轮直径的增大，整机效率不降反升。而且确实有比较多的国外机型Cp值突破了《打假》一文范围，类似于该文提到的“神机”一类，详见表1。
　　表1.国际厂家功率曲线演进
　　(数据来源EMD公司数据库) 　　其实，叶片选用之后，对Cp有很大的影响还有能量传动链的效率，《打假一文也有阐述。我们仅仅想额外阐述一点，其实传动链选用不同品牌的部件，以及部件和整机系统如何配合，在热机冷机等不同工况下，如何协调控制，提高效率，也会对Cp有重要影响。国内在价格竞争背景下，出现了一些机组采用较差零部件，不但影响了机组的效率，特别是机械和电气传动链部件效率发生变化后，原有控制参数会导致风轮工作点变化，不能获得最大风轮效率。并且，还出现大部件可靠性问题，对所购买技术图纸未做基础价值研究，一味仅仅只是增大叶轮直径，机组效率不会提高，而可靠性又无法保证，最终给业主带来巨大投资损失。
　　最关键的一点，其实上文已经有提及，那就是机组的整机控制系统。传统控制系统往往是反馈系统。在叶轮直径较小时，风轮转动惯量影响较小情况下，又采用平坦Cp-λ叶片，基本可以维持相对较大Cp，整机系统Cp寻优问题不大。当前，风轮直径已经越过110m大关，120m甚至更大叶轮直径机组已经推向市场，加上未来可供开发的平坦地形风电场越来越少，风况环境复杂多变。有些新的翼型设计，甚至开始采用三维整体设计和最优气弹设计，叶片效率更高，Cp和λ的关系图越来越尖，越来越高，对于控制系统的要求也越来越高，换句话说，实际上试图在实际运行的动态功率曲线上获取理论CpMax的难度会越来越大。如何让控制系统变成风速的估计器，可以感知风，进行更好的前馈控制，维持最优Cp，这里的区别和影响实在是太大了。所以我们这里实在不敢苟同《打假》一文行文结束的如下结论：“所以大多数机组的发电功率只与其扫风面积和整机Cp有关，也就是说只要是同样风轮直径的机组，功率曲线应该基本重合”，以及所谓的“功率曲线中超出0.46的Cp就是在侮辱你的智商”这样没有深入理解分析，通过简单粗暴就得出看起来简单明了的结论，这是对行业的不负责任，也是违反科学精神的。