適用于風(fēng)電場驗(yàn)收的通用機(jī)組特性測試及評價方法研究*

段振云，張學(xué)瑞，邢作霞

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業(yè)大學(xué)新能源工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110023）

0 引言

風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。近幾年，我國的風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，已成為全球風(fēng)電裝機(jī)第一大國。風(fēng)電在快速發(fā)展的同時也帶來了一系列問題，特別是在風(fēng)電產(chǎn)品的相關(guān)質(zhì)量監(jiān)督和檢測認(rèn)證，以及對風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備驗(yàn)收方面，缺乏完善的標(biāo)準(zhǔn)體系和檢測認(rèn)證體系，制約了國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

開展風(fēng)電機(jī)組檢測，可以為解決風(fēng)電機(jī)組故障提供技術(shù)支持，風(fēng)電機(jī)組檢測可以得到關(guān)于風(fēng)電機(jī)組的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，便于分析故障原因[1]。此外，開展風(fēng)電機(jī)組檢測，可以為風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化控制策略提供幫助，保證風(fēng)電機(jī)組在不同場地條件和不同風(fēng)況條件下都保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，提供最大可能的發(fā)電量[2]。

依據(jù)某風(fēng)電場要求，對其風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行功率特性測試以及風(fēng)電場噪聲水平測試。本文基于此項(xiàng)測試，對應(yīng)用于風(fēng)電場驗(yàn)收的通用機(jī)組特性測試及評價方法進(jìn)行研究，為風(fēng)電場設(shè)備驗(yàn)收及評價提供了一種思路及方法。

1 風(fēng)電機(jī)組功率特性測試

風(fēng)電機(jī)組的功率特性是風(fēng)電機(jī)組最重要的系統(tǒng)特性之一，與風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量有直接關(guān)系。通過功率特性測試，可以比較實(shí)際發(fā)電量與預(yù)計(jì)發(fā)電量的差別；通過長期的功率特性監(jiān)測，可以了解風(fēng)電機(jī)組的功率特性隨時間變化的情況，驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組制造商提出的風(fēng)電機(jī)組可利用率，發(fā)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置的問題，進(jìn)而對風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化[3]。

風(fēng)電機(jī)組功率特性測試開始之前，需要對測試場地進(jìn)行評估，以判斷測試場地是否符合IEC標(biāo)準(zhǔn)要求。如果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，就要在測試開始之前，先進(jìn)行場地標(biāo)定。在場地評估的同時，選定可用的風(fēng)向扇區(qū)，剔除影響風(fēng)速測量的風(fēng)向扇區(qū)。測試時需要在被測風(fēng)電機(jī)組附近樹立氣象桅桿，在氣象桅桿上安裝風(fēng)速計(jì)、風(fēng)向標(biāo)、溫度傳感器、氣壓傳感器、降雨量傳感器等，用于測量風(fēng)速和大氣狀況?？諝饷芏鹊挠?jì)算公式為

式中，ρ10min為10min的平均空氣密度；T10min為測得的10min的平均熱力學(xué)氣溫；B10min為測得的10min的平均氣壓；R為氣體常數(shù)287.05J/(kg*K)。

對于功率自動控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其風(fēng)速值可按下式(2)進(jìn)行計(jì)算。

式中，vn為折算后的風(fēng)速值；V10min為測得的10min的平均風(fēng)速值；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度；ρ10min為得到的10min的平均空氣密度。

測試數(shù)據(jù)采集完成后，按照標(biāo)準(zhǔn)要求剔除無效數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)校正到標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下，采用bin方法對測量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理，得到風(fēng)電機(jī)組的功率特性曲線，下式(3)和(4)為規(guī)格化后的風(fēng)速平均值和輸出功率平均值的計(jì)算方法。

式中，Vi為第i個區(qū)間規(guī)格化后的平均風(fēng)速；Vn,i,j為第i個區(qū)間數(shù)據(jù)組j規(guī)格化后的平均風(fēng)速；Pi為第i個區(qū)間規(guī)格化后的平均輸出功率；Pn,i,j為第i個區(qū)間數(shù)據(jù)組j規(guī)格化后的平均輸出功率；Ni為第i個區(qū)間內(nèi)10min數(shù)據(jù)組的數(shù)目。

根據(jù)測試所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，可得出在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下風(fēng)電機(jī)組功率特性測試的散點(diǎn)圖，如圖1所示。

被測風(fēng)電機(jī)組的功率系數(shù)可以根據(jù)以上風(fēng)速平均值與輸出功率平均值，由下式計(jì)算得出。

式中，Cp,j為bini中的功率系數(shù)；Vi折算所得到的在bini中的平均 風(fēng)速；Pi為折算所得到的在bini中的功率輸出；A為風(fēng)輪的掃掠面積；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度。

圖2為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度條件下風(fēng)電機(jī)組的功率系數(shù)曲線。

2 風(fēng)電場噪聲水平測試

對于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，我國制定了風(fēng)電場以及風(fēng)電機(jī)組的噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)，來限制風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的噪聲。為了把噪聲控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，首先需要對風(fēng)電機(jī)組的噪聲進(jìn)行測試，然后依據(jù)測試得到的噪聲發(fā)生原因?qū)嵤┲卫砗涂刂?，以期達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，并盡量減少噪聲污染。

風(fēng)電機(jī)組的噪聲測量基本過程為：將下風(fēng)向測試點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，測量用的風(fēng)速儀和風(fēng)向傳感器安裝在風(fēng)電機(jī)組的上風(fēng)向；安裝噪聲測試系統(tǒng)，采用測試板和帶風(fēng)罩的麥克風(fēng)，麥克風(fēng)裝在測試板中心，風(fēng)罩安裝在地面麥克風(fēng)上，由蜂窩泡沫球組成；在整數(shù)風(fēng)速 6m/s、7m/s、8m/s、9m/s和10m/s進(jìn)行噪聲測試，分別進(jìn)行聲功率級、1/3倍頻程和窄帶譜分析測試；依據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行分析評定，分析噪聲發(fā)生原因，提出實(shí)施治理和控制方案，以期達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，并減少噪聲污染。

3 現(xiàn)場測試方案

依據(jù)IEC 61400－12－1： 2005 Wind turbine generator systems-Part 12: Wind turbine power performance testing以及GB/T 18451.2－2003《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，對風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率特性測試[4]，利用所測量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理、篩選、數(shù)據(jù)回歸，然后應(yīng)用依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)編制的軟件“SUT_P”（Version 2.1） 數(shù) 據(jù) 處理軟件得出機(jī)組的功率曲線，如圖3所示。

依 據(jù) IEC 61400 － 11：2006 Wind turbine generators systems-Part 11:Acoustic noise measurement techniques以及GB/T 22516－2008《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組噪聲測量方法》，應(yīng)用 Brüel&Kj r公司噪聲測試系統(tǒng)對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行噪聲測量，并依據(jù)DL/T 1084－2008《風(fēng)電場噪聲限值及測量方法》，對風(fēng)電場對周圍環(huán)境的噪聲影響水平進(jìn)行評估。

4 結(jié)論

隨著我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，規(guī)范風(fēng)電市場，完善風(fēng)電產(chǎn)品的相關(guān)質(zhì)量監(jiān)督和檢測認(rèn)證，對于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是必不可少的[5]。本文依據(jù)對某風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行功率特性測試以及風(fēng)電場噪聲水平測試，對應(yīng)用于風(fēng)電場驗(yàn)收的通用機(jī)組特性測試及評價方法進(jìn)行研究，為風(fēng)電場設(shè)備驗(yàn)收及評價提供了一種思路及方法，具有一定參考價值及實(shí)際意義。

[1]張明鋒,鄧凱,陳波,王盛,高濤,方正,王樹春.中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)電工程,2010,(1):1-3.

[2]果巖,方曉燕.風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)、檢測與認(rèn)證現(xiàn)狀及發(fā)展方向初探[J].電器工業(yè),2010,(10):71-74

[3]姚興佳，等.北京：風(fēng)力發(fā)電測試技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2011.

[4]肖勁松.風(fēng)電機(jī)組的型式認(rèn)證和風(fēng)電場認(rèn)證—IEC風(fēng)電機(jī)組認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)介紹[J].太陽能,2005,(5):44-46.

[5]卜樂平,任昀,胡匡生.我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)質(zhì)量檢測體系現(xiàn)狀和展望[J].電氣制造.2011,(2)：66-68.