潮流能發(fā)電機(jī)組功率特性測試研究

隨著越來越多海洋能發(fā)電裝置的研發(fā)和海試，對其運(yùn)行狀況和發(fā)電效果進(jìn)行測試的需求也越來越迫切。但是，目前我國還未簡稱功能完備的海洋能發(fā)電裝置測試場。而我國目前在潮流能發(fā)電裝置功率特性現(xiàn)場測試領(lǐng)域內(nèi)，還沒有相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合風(fēng)能、波浪能等清潔能源領(lǐng)域已較成熟的相關(guān)測試方法，給出了一種潮流能發(fā)電機(jī)組功率特性的試驗(yàn)方案，并結(jié)合國際電工委員會發(fā)布的《IEC/TS 62600-200:2013 Marine energy給出了一種潮流能發(fā)電機(jī)組功率特性的試驗(yàn)方案。

潮流能發(fā)電機(jī)組的功率特性

潮流能發(fā)電機(jī)組（Tidal energy converter，縮寫TEC）的主要電氣性能通常由功率特性和電能質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，其中，功率特性是潮流能發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力的度量，通常以功率特性曲線的形式表示，功率特性曲線描述的是潮流能發(fā)電機(jī)組的輸出功率隨潮流流速的變化情況，通過對功率特性曲線的分析，可以得出潮流能發(fā)電機(jī)組在不同潮流流速條件下的功率輸出特性。

圖1 功率曲線

功率曲線需要通過測試來確定，所產(chǎn)生的功率隨來流速度而變，通常功率曲線以圖1的形式來描繪，在發(fā)電機(jī)組效率恒定（如恒定的齒輪箱速比）時(shí)，曲線基本保持三次多項(xiàng)式直到機(jī)組達(dá)到額定功率。

功率特性的測試

本文描述的功率特性測試方法正是基于功率曲線的定義，表述的是功率和流速的關(guān)系，測試應(yīng)主要圍繞電功率、來流數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行，為了獲得更為準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)，需要從測試場地、測試設(shè)備、測量程序和結(jié)果導(dǎo)出幾個(gè)方面，對測試提出要求。

1、測試場地

在進(jìn)行功率特性測試時(shí)，推薦在水底地質(zhì)條件平坦、不復(fù)雜的場地開展工作，并且在水文條件較為穩(wěn)定的期間采集數(shù)據(jù)，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并減小測試結(jié)果的不確定度。在測試開始前，應(yīng)對測試場地相關(guān)的水文和地址資料進(jìn)行評審，來評估場地的符合性，如果缺少相應(yīng)資料，推薦先對場地進(jìn)行探深測試，并獲取水文數(shù)據(jù)，再組織評估。

在IEC/TS 62600-200：2013標(biāo)準(zhǔn)中，對測試場地給出了更為量化的要求，其要求在機(jī)組前后各10倍有效葉輪直徑，上下左右各5倍有效葉輪直徑（即機(jī)組所在的一個(gè)20×10倍有效葉輪直徑的立方空間）范圍內(nèi)，應(yīng)依據(jù)國際海道測量組織（IHO）發(fā)布的文件對水文進(jìn)行調(diào)查評估。原則上，機(jī)組的功率特性測試場地應(yīng)沒有任何相較于機(jī)組設(shè)計(jì)工作環(huán)境下，可能造成性能激變的特殊條件（如場內(nèi)存在影響流場的障礙物或特殊地形）。

2、測試設(shè)備

TEC功率特性測試所需的設(shè)備通常由數(shù)據(jù)采集器、電學(xué)傳感器、水流傳感器組成，并通過時(shí)鐘同步，實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的同步采集。

（1）功率測量系統(tǒng)

TEC凈電功率采集，一般使用功率測量裝置（例如：功率變送器）完成，測量時(shí)需要單獨(dú)采集每一相的電流和電壓，并對應(yīng)接入變送器內(nèi)，從而得到實(shí)時(shí)功率值，對于電流和電壓的采集，可視具體情況，使用電流互感器、電壓互感器配合實(shí)現(xiàn)。所選用的功率測量裝置的精度等級應(yīng)為0.5級或更高，在使用功率變送器時(shí)應(yīng)滿足IEC 60688的要求，電流互感器應(yīng)滿足IEC 61869-2的要求，如使用電壓互感器則應(yīng)滿足IEC 61869-3的要求。同時(shí)，功率測量裝置的量程范圍應(yīng)覆蓋被測TEC的瞬時(shí)功率正負(fù)峰值，通常，實(shí)際測試中選用的功率測量裝置的滿刻度量程，應(yīng)為TEC額定輸出功率的5%～200%，額定輸入功率的-5%～50%。

（2）潮流狀態(tài)測量系統(tǒng)

TEC來流參數(shù)的采集，一般使用聲學(xué)流速計(jì)實(shí)現(xiàn)，比較常見的是聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，縮寫ADCP）），其原理類似于聲納：ADCP向水中發(fā)射聲波，水中的散射體使聲波產(chǎn)生散射，ADCP接收散射體返還的回波信號，通過分析其多普勒效應(yīng)頻移以計(jì)算流速。但不論使用何種聲學(xué)流速計(jì)，其測量范圍都應(yīng)能夠覆蓋TEC葉輪掃掠高度，且能夠記錄連續(xù)時(shí)間序列下的來流速度和方向數(shù)據(jù)。

在IEC/TS 62600-200：2013標(biāo)準(zhǔn)中提出，測試使用的聲學(xué)流速計(jì)應(yīng)至少滿足以下技術(shù)條件：

● 采集記錄連續(xù)時(shí)間序列下的潮汐流速度和方向；

● 可對不同高度層的潮流參數(shù)進(jìn)行同時(shí)測量，測量范圍至少能夠覆蓋TEC葉輪掃掠高度；

● 可測量TEC葉輪掃掠范圍內(nèi)來流的垂直廓線，采樣點(diǎn)的垂直間距不大于1m；

● 可測量TEC葉輪掃掠范圍內(nèi)來流的垂直廓線，至少需包含10個(gè)采樣點(diǎn)；

● 數(shù)據(jù)采樣頻率可達(dá)1Hz或更高；

● 數(shù)據(jù)記錄需保留時(shí)間戳；

● 可采集記錄連續(xù)時(shí)間序列下的潮汐俯仰和翻滾廓線。

采集的測量數(shù)據(jù)應(yīng)遵循以下條件：

● 記錄的速度范圍應(yīng)覆蓋測試場地下最大和最小流速的全區(qū)間，且分辨率不小于±0.05m/s；

● 使用不低于差分GPS精度的傳感器記錄聲學(xué)流速計(jì)位置信息。

另外，還需保留測試數(shù)據(jù)的任何可用信息，如：

圖2 順次放置俯視示意圖

● 特定流場數(shù)據(jù)采集方案下的固有多普勒噪聲；

● 整個(gè)測試期間的時(shí)間飄逸；

● 聲學(xué)流速計(jì)的標(biāo)定信息；

● 聲學(xué)流速計(jì)的空白間隙；

● 聲學(xué)流速計(jì)的波束數(shù)和波束角度。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于收集測量數(shù)據(jù)并存儲與處理數(shù)據(jù)，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)采樣頻率都應(yīng)在1Hz或更高。

（4）測量程序

測量程序的目標(biāo)是采集滿足一系列明確要求的數(shù)據(jù)，測量程序應(yīng)確保這些數(shù)據(jù)有足夠的數(shù)量和質(zhì)量，以精確確定TEC的功率特性。

圖3 順次放置剖視示意圖

圖4 水平放置俯視示意圖

圖5 水平放置俯視示意圖

各測試系統(tǒng)的布置位置，應(yīng)能夠采集到TEC的準(zhǔn)確運(yùn)行數(shù)據(jù)。功率測試系統(tǒng)應(yīng)安裝在TEC和電網(wǎng)連接點(diǎn)之間，以確保測量的僅是凈有功功率，即減去TEC消耗的功率，測量可在變壓器的機(jī)側(cè)或者網(wǎng)側(cè)進(jìn)行。聲學(xué)流速計(jì)通常需要兩臺，同時(shí)對來流進(jìn)行測量，其可與TEC沿潮流主流向順次放置，也可垂直于主流向水平放置。順次放置時(shí)，應(yīng)盡量沿主流向順序分別布置在TEC的上下游，且定位在距機(jī)組2D～5D（D為機(jī)組的等效葉輪直徑）位置，俯視示意圖見圖2、剖視示意圖見圖3；當(dāng)水平放置時(shí)，應(yīng)盡量沿葉輪平面布置在TEC的左右側(cè)，且定位在距機(jī)組1D～2D（D為機(jī)組的等效葉輪直徑）位置，俯視示意圖見圖4、剖視示意圖見圖5。

在測試期間，TEC應(yīng)按照其運(yùn)行手冊中的規(guī)定正常運(yùn)行，并且機(jī)組配置和控制策略均不能改變。所采集的數(shù)據(jù)量至少應(yīng)涵蓋一個(gè)大小潮周期，同時(shí)，參與統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)應(yīng)只使用正常運(yùn)行工況下的采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)應(yīng)該以1Hz或更高的采樣頻率連續(xù)采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)儲存采樣數(shù)據(jù)，或數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值（包含：平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大值、最小值），其中，統(tǒng)計(jì)值所選數(shù)據(jù)組應(yīng)基于10min的連續(xù)測量數(shù)據(jù)。

另外，為了確定所測量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)已足夠表征TEC的特性，且便于對測試結(jié)果進(jìn)行評價(jià)比較，在IEC/TS 62600-200：2013標(biāo)準(zhǔn)中給出了數(shù)據(jù)庫的基本要求。

應(yīng)針對漲潮作業(yè)期和退潮作業(yè)期分別建立數(shù)據(jù)庫，所選數(shù)據(jù)組采用區(qū)間法存儲，所選數(shù)據(jù)組應(yīng)至少覆蓋擴(kuò)展的流速范圍，即從切入流速的50%到額定功率對應(yīng)流速的120%；另一選擇為，切入流速的50%到當(dāng)?shù)亓鲌鲎畲罅魉俚?0%，但需包含額定功率對應(yīng)流速。流速范圍劃分為以0.05m/s整數(shù)倍的流速為中心，左右各0.025m/s的連續(xù)區(qū)間。

無論對漲潮期數(shù)據(jù)庫還是退潮期數(shù)據(jù)庫，當(dāng)滿足下列條件時(shí)，數(shù)據(jù)庫才認(rèn)為是完整的：

● 每一個(gè)流速區(qū)間至少包含30min的采樣數(shù)據(jù)；

● 數(shù)據(jù)庫包含至少180h的采樣數(shù)據(jù)。

（5）結(jié)果導(dǎo)出

TEC功率特性測試的結(jié)果通常以功率曲線的形式表示，應(yīng)分別針對漲潮作業(yè)期和退潮作業(yè)期，建立兩條功率曲線。為了在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下對機(jī)組的功率特性進(jìn)行評價(jià)，就需要對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，在IEC/TS 62600-200：2013標(biāo)準(zhǔn)中就給出了詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理方法。通常，結(jié)果的導(dǎo)出需要經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選、測量功率曲線的確定和不確定度分析幾個(gè)步驟。

①數(shù)據(jù)篩選

應(yīng)確保只有在機(jī)組正常運(yùn)行下采集的數(shù)據(jù)用于分析，且數(shù)據(jù)沒有被破壞，下列情況下的數(shù)據(jù)組應(yīng)從數(shù)據(jù)庫中剔除：

● 在測試中或維護(hù)運(yùn)行中人工停機(jī)；

● 機(jī)組故障引起的停機(jī)；

● 流速以外的其他外部條件超出機(jī)組的運(yùn)行范圍；

● 測量儀器故障或降級；

● 機(jī)組由于外部原因工作于限制策略，如：電網(wǎng)限功率。

②測量功率曲線的確定

測量功率曲線是對經(jīng)篩選后的漲潮/退潮期的數(shù)據(jù)組用區(qū)間法確定的，即用0.05m/s的區(qū)間，依據(jù)公式對每一流速區(qū)間的流速平均值和輸出功率平均值。

同時(shí)，需要注意的是，由于流體的粘性較氣體大很多，垂直切變效應(yīng)更為明顯，因此，每一數(shù)據(jù)點(diǎn)上流速的定義均應(yīng)以等效葉輪流速的形式表示。等效葉輪流速是與流經(jīng)葉輪掃掠區(qū)域動能相關(guān)的流速，當(dāng)獲得了至少三個(gè)高度的流速。

③不確定度分析

所測功率曲線應(yīng)附有測量不確定度的評定。評定應(yīng)利用區(qū)間法作為確定不確定度的理論基礎(chǔ)，并基于ISO出版的測量不確定度表示指南（ISO/IEC Guide 98-3:2008）進(jìn)行。依據(jù)ISO指南，有兩種類型的不確定度：A類，其不確定度的大小可從測量中推算；B類，通過其他方法估計(jì)。這兩類不確定度都以標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，并且表示為標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

功率曲線的測試由電功率和流速的區(qū)間值來確定，相應(yīng)的測量不確定度分析至少應(yīng)包含表1的不確定度參數(shù)，并通過靈敏系數(shù)轉(zhuǎn)換為被測物理量的不確定度。

表1 不確定度分量表

表2 擴(kuò)展不確定度

表3 測試設(shè)備

在完成識別各測量參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度后，即可對各區(qū)間內(nèi)功率的不確定度進(jìn)行評價(jià)。

最終，功率曲線的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可用擴(kuò)展不確定度評價(jià)。參考ISO指南并假定服從正態(tài)分布，由表2中所示置信概率，可通過合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以表中所給包含因子求出。

示例

應(yīng)用上述方法，以某型兩葉片水平軸千瓦級潮流能發(fā)電機(jī)組海試為例，通過測試得出其功率曲線。

測試過程中，潮流能機(jī)組通過一座自提升式平臺至于海水中。功率特性采集系統(tǒng)置于平臺艙底變流柜處，電流互感器分別安裝于變流柜三相輸出電纜上，電壓信號通過變流柜上輸出端子引出；海流計(jì)安裝于潮流能發(fā)電機(jī)組的正前端，在與機(jī)組運(yùn)行水深同一位置。主要測試設(shè)備如表3所示。

通過采集約30天的運(yùn)行數(shù)據(jù)后，經(jīng)處理得到機(jī)組的漲潮/退潮功率曲線，見圖6及圖7：

圖6 漲潮工況下機(jī)組功率曲線

圖7 退潮工況下機(jī)組功率曲線

文章從測試場地、測試設(shè)備、測量程序和結(jié)果導(dǎo)出幾個(gè)方面，對測試提出要求，給出了潮流能發(fā)電機(jī)組功率特性測試的方法，并結(jié)合IEC/TS 62600-200:2013標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容，對測試結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，最后結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，為進(jìn)一步開展潮流能發(fā)電機(jī)組的海試工作，完善潮流能發(fā)電機(jī)組的性能評價(jià)體系提供了依據(jù)和參考，具有一定的指導(dǎo)意義。