油氣田風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化測(cè)試技術(shù)研究

王業(yè)開(kāi)（中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心）

1 風(fēng)力發(fā)電測(cè)試概述

1.1 油氣田企業(yè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成及工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，機(jī)械功帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終輸出交流電的電力設(shè)備。常見(jiàn)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要組成為：葉片、機(jī)艙、變速箱、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、變槳機(jī)構(gòu)、塔架、風(fēng)速計(jì)及風(fēng)向標(biāo)等，其一般基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1所示系統(tǒng)各組成部分的功能如下：

1）葉片：捉獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代600 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的測(cè)量長(zhǎng)度大約為20 m[1-2]。

2）機(jī)艙：機(jī)艙包容著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)。維護(hù)人員可以通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔進(jìn)入機(jī)艙。機(jī)艙左端是風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸[3]。

3）變速箱：變速箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。

4）制動(dòng)器：緊急機(jī)械閘，用于空氣動(dòng)力閘失效時(shí)，或風(fēng)力發(fā)電機(jī)被維修時(shí)[4-5]。

5）發(fā)電機(jī)：通常被稱為感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，最大電力輸出通常為500～1 500 kW。

6）偏航裝置：借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子正對(duì)著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過(guò)風(fēng)向標(biāo)來(lái)感覺(jué)風(fēng)向。圖1中顯示了風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航。通常，在風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)一次只會(huì)偏轉(zhuǎn)幾度。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Combined structure of wind power generation system

7）變槳機(jī)構(gòu)：通過(guò)調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角，改變氣流對(duì)槳葉的攻角，進(jìn)而控制風(fēng)輪捕獲的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和氣動(dòng)功率。變槳系統(tǒng)作為大型風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的核心部分之一，對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行具有十分重要的作用[6]。

8）塔架：風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡x地面越高，風(fēng)速越大，現(xiàn)代600 kW風(fēng)機(jī)的塔高為40～60 m。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對(duì)于維修人員更為安全，因?yàn)樗麄兛梢酝ㄟ^(guò)內(nèi)部的梯子到達(dá)塔頂，格狀的塔的優(yōu)點(diǎn)在于造價(jià)低[7-8]。

9）風(fēng)速計(jì)及風(fēng)向標(biāo)：用于測(cè)量風(fēng)速及風(fēng)向。

10）控制器：包含一臺(tái)不斷監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機(jī)的過(guò)熱），該控制器可以自動(dòng)停止風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)電話調(diào)制解調(diào)器來(lái)呼叫風(fēng)力發(fā)電機(jī)操作員[9-10]。

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括5項(xiàng)：綜合場(chǎng)用電率、變電站用電率、送出線損率、發(fā)電場(chǎng)用電率、功率系數(shù)。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)布置

1.3.1 測(cè)試項(xiàng)目

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)記錄和測(cè)試數(shù)據(jù)主要包含以下內(nèi)容：測(cè)試日期、時(shí)間、地點(diǎn)和人員；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的型號(hào)、生產(chǎn)廠家、出廠編號(hào)及出廠日期；風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量，電壓、電流、功率；風(fēng)電場(chǎng)用網(wǎng)電量，電壓、電流、功率；風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電量，電壓、電流、功率；風(fēng)電場(chǎng)變電站用電量，電壓、電流、功率；風(fēng)電場(chǎng)出口處的電量，電壓、電流、功率；距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2～4 D（D為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪直徑）的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、相對(duì)濕度。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的5項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的定義和計(jì)算方法，該系統(tǒng)涉及的基礎(chǔ)參數(shù)和測(cè)試項(xiàng)目見(jiàn)3.2.1。

1.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

風(fēng)力發(fā)電站的測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。各測(cè)點(diǎn)所測(cè)試的參數(shù)見(jiàn)表1。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試儀器（性能指標(biāo)）匯總見(jiàn)表2。

圖2 風(fēng)力發(fā)電單元測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Unit measuring point of wind power generation

2 測(cè)試裝置方案

2.1 測(cè)試裝置組成

風(fēng)力發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)由被測(cè)系統(tǒng)和一體化測(cè)試裝置兩大部分構(gòu)成。其中，一體化測(cè)試裝置主要包括三個(gè)組成單元：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理，測(cè)試系統(tǒng)及一體化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

2.2.1 數(shù)據(jù)采集方式

測(cè)試裝置所需測(cè)試的基礎(chǔ)參數(shù)主要分為三大類：氣象數(shù)據(jù)、電能數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)，各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)主要通過(guò)相應(yīng)的測(cè)試儀器（傳感器等）實(shí)現(xiàn)信息的采集，同時(shí)利用儀表自身的存儲(chǔ)功能或?qū)崟r(shí)無(wú)線傳輸至服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取、存儲(chǔ)、計(jì)算等功能。

表1 各測(cè)點(diǎn)測(cè)試參數(shù)Tab.1 Test parameters at each test point

表2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試儀器（性能指標(biāo)）匯總Tab.2 Tester（performance metrics）summary table of wind power generation

2.2.2 測(cè)試儀器選型

1）氣象數(shù)據(jù)測(cè)試儀器。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)測(cè)試（采集）儀器應(yīng)符合GB/T 18451.2—2012的要求，各裝置彼此之間應(yīng)保持時(shí)間同步，時(shí)間偏差應(yīng)小于10μs，所需測(cè)試的氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及相應(yīng)測(cè)試儀器的選用要求見(jiàn)表3。

2）電能數(shù)據(jù)測(cè)試儀器。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所需測(cè)試的電能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及相應(yīng)測(cè)試儀器的選用要求見(jiàn)表4。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

2.3.1 信號(hào)傳輸方式

數(shù)據(jù)傳輸單元主要實(shí)現(xiàn)被測(cè)系統(tǒng)前端測(cè)試數(shù)據(jù)與終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）最終接收到的測(cè)試數(shù)據(jù)之間的傳輸過(guò)程和功能。該測(cè)試過(guò)程采用的信號(hào)傳輸方式為ZigBee傳輸。測(cè)試儀器將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)絑igBee遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集中心。若測(cè)試儀器不具備無(wú)線遠(yuǎn)傳功能，需配備無(wú)線中繼控制器，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。ZigBee遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集中心與終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）有線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總、顯示與處理，如圖3所示。

表3 氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)試儀器選擇標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Selection criteria of meteorological basic data test instruments

表4 電能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)試儀器選擇標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Selection criteria of electric basic data test instruments

2.3.2 信號(hào)傳輸設(shè)備選型

除了適用于該測(cè)試裝置的信號(hào)傳輸設(shè)備配置基本要求見(jiàn)表5。

圖3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化測(cè)試裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Combined structure on integrated testing device of wind power generation system

2.4 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元主要是對(duì)采集傳輸至終端設(shè)備（計(jì)算機(jī)）的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析計(jì)算過(guò)程，該過(guò)程主要通過(guò)服務(wù)器或工作站（計(jì)算機(jī)等）硬件與相應(yīng)的分析軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析計(jì)算、數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果的存儲(chǔ)等相關(guān)操作。

表5 信號(hào)傳輸設(shè)備配置基本要求Tab.5 Configuration requirements for signal transmission devices

2.4.1 便攜式工業(yè)計(jì)算機(jī)

適用于該測(cè)試裝置的便攜式工業(yè)計(jì)算機(jī)配置基本要求見(jiàn)表6。

表6 便攜式工業(yè)計(jì)算機(jī)配置基本要求Tab.6 Configuration requirements for portable industrial computer

2.4.2 能效分析評(píng)價(jià)軟件

該軟件為自主研發(fā)，與測(cè)試裝置內(nèi)部的工作站或計(jì)算機(jī)配套使用，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸及處理，以及各項(xiàng)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析計(jì)算與評(píng)價(jià)。

該軟件主要包含4個(gè)功能模塊，分別為：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、指標(biāo)分析計(jì)算、系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)。

3 能效評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試與計(jì)算

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備、要求與測(cè)試方法

3.1.1 測(cè)試準(zhǔn)備

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的測(cè)試準(zhǔn)備工作主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

1）測(cè)試負(fù)責(zé)人應(yīng)由有測(cè)試經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員擔(dān)任，測(cè)試過(guò)程中測(cè)試人員不宜變動(dòng)。應(yīng)根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況制定具體的測(cè)試方案，測(cè)試方案應(yīng)包括且不限于以下資料：測(cè)試任務(wù)和要求；測(cè)試項(xiàng)目；測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試儀器；人員組織與分工；測(cè)試進(jìn)度安排。

2）測(cè)試前后應(yīng)檢查所用儀器，測(cè)量?jī)x器儀表應(yīng)定期檢定或校準(zhǔn)且應(yīng)具備法定計(jì)量部門出具的檢定合格證。

3）應(yīng)按測(cè)試方案安裝測(cè)試儀器。

4）應(yīng)全面檢查機(jī)組、系統(tǒng)各部件的運(yùn)行狀況是否正常，是否具備測(cè)試條件。

5）正式測(cè)試前宜進(jìn)行預(yù)備性測(cè)試，以全面檢查儀器是否正常工作。

3.1.2 測(cè)試基本要求

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的測(cè)試基本要求包括以下幾項(xiàng)：在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電站效率的測(cè)試工作前，應(yīng)搜集風(fēng)力發(fā)電站基本信息；測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的人員安全要求應(yīng)符合GB 26860的規(guī)定；測(cè)試應(yīng)選擇晴天少云的天氣；測(cè)試周期應(yīng)至少覆蓋一個(gè)日歷天；測(cè)試所用的儀器、儀表型式及準(zhǔn)確度應(yīng)符合2.2.2的要求。

3.1.3 測(cè)試方法

1）綜合場(chǎng)用電率測(cè)試。綜合場(chǎng)用電率的測(cè)試裝置應(yīng)包括電量風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電量、風(fēng)電場(chǎng)用網(wǎng)電量、風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電量采集3部分。采集裝置應(yīng)符合NB/T 31045—2013的規(guī)定，各裝置彼此之間應(yīng)保持時(shí)間同步，時(shí)間偏差應(yīng)小于10μs。同步測(cè)試單位時(shí)間的風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電量、風(fēng)電場(chǎng)用網(wǎng)電量、風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電量。

2）風(fēng)電場(chǎng)的站用電率。綜合場(chǎng)用電率的測(cè)試裝置應(yīng)包括風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電量、風(fēng)電場(chǎng)的站用電量2部分。采集裝置應(yīng)符合NB/T 31045—2013的規(guī)定，各裝置彼此之間應(yīng)保持時(shí)間同步，時(shí)間偏差應(yīng)小于10μs。同步測(cè)試單位時(shí)間的風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電量、風(fēng)電場(chǎng)的站用電量。

3）變電站用電率測(cè)試。綜合場(chǎng)用電率的測(cè)試裝置應(yīng)包括風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電量、變電站用電量2部分。采集裝置應(yīng)符合NB/T 31045—2013的規(guī)定，各裝置彼此之間應(yīng)保持時(shí)間同步，時(shí)間偏差應(yīng)小于10μs。同步測(cè)試單位時(shí)間的風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電量、變電站用電量。

4）功率系數(shù)。綜合場(chǎng)用電率的測(cè)試裝置應(yīng)包括風(fēng)電場(chǎng)的總發(fā)電量、變電站用電量2部分。采集裝置應(yīng)符合GB/T 18451.2—2021的規(guī)定，各裝置彼此之間應(yīng)保持時(shí)間同步，時(shí)間偏差應(yīng)小于10μs。

測(cè)風(fēng)裝置應(yīng)定位在距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2 D～4 D（D為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪直徑），推薦使用2.5 D的距離。風(fēng)速、風(fēng)向等監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)應(yīng)該每10 min取一組數(shù)據(jù)，每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集周期不應(yīng)超過(guò)10 s，至少采集5組數(shù)據(jù)作為測(cè)試報(bào)告的原始記錄；同步測(cè)試單位時(shí)間的輸出功率。

3.2 能效評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

3.2.1 參數(shù)符號(hào)和單位

根據(jù)該系統(tǒng)的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)試項(xiàng)目，能效評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試計(jì)算過(guò)程中所涉及的參數(shù)符號(hào)和單位匯總見(jiàn)表7。

表7 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)匯總Tab.7 Parameter summary of wind power generation system

3.2.2 指標(biāo)計(jì)算

1）綜合場(chǎng)用電率。綜合場(chǎng)用電率是測(cè)試統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中所使用和損耗的全部電量占總發(fā)電量的百分比，計(jì)算公式為

2）變電站用電率。變電站用電率是測(cè)試統(tǒng)計(jì)周期間內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)變電站用電量占風(fēng)電場(chǎng)總發(fā)電量的百分比，計(jì)算公式為

3）送出線損率。送出線損率是測(cè)試統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)送出線損耗占風(fēng)電場(chǎng)總發(fā)電量的百分比，計(jì)算公式為

4）發(fā)電場(chǎng)用電率。發(fā)電場(chǎng)用電率是測(cè)試統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)發(fā)電和輸變電設(shè)備使用及消耗電量占風(fēng)電場(chǎng)總發(fā)電量的百分比，計(jì)算公式為

Eg為風(fēng)電場(chǎng)出口處的電量，從風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器高壓側(cè)電能表讀取，如上網(wǎng)關(guān)口電能表裝設(shè)在風(fēng)電場(chǎng)出口處，則Eg=Eout，在這種情況下Rs=0。

5）功率系數(shù)。功率系數(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組凈功率輸出與風(fēng)輪掃掠面上從自由流得到的功率之比，計(jì)算公式為

4 結(jié)論

大慶油田油氣資源富集，風(fēng)能資源豐富，年有效風(fēng)速持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，年平均風(fēng)速3.8 m/s，年大于6級(jí)風(fēng)日數(shù)為30 d，80 m高度全年有效風(fēng)速可利用小時(shí)數(shù)為2 200 h以上，適合建設(shè)風(fēng)力發(fā)電站；油田擁有分布廣闊的企業(yè)電網(wǎng)，用電設(shè)備分布較為分散，適合分散式風(fēng)電的開(kāi)發(fā)，具備新能源電力接入的有利條件；油田生產(chǎn)每年需要大量電力，用量大且穩(wěn)定，具有一定的消納能力。因此，大慶油田在“十四五”新能源發(fā)展規(guī)劃中，充分利用油田自有土地的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)以變電所為依托，部署了風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量320.1 MW。

油氣田風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，可以對(duì)油氣田用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗低、經(jīng)濟(jì)性好的目標(biāo)，同時(shí)利于定性定量分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組改造的節(jié)能效果。