风力发电机组能效测试装置的研究

曲照涛 （大庆油田有限责任公司技术监督中心）

风力发电机组监测通常使用遥感装置监测设备。遥感装置是指无人驾驶的飞行器，通过无线电遥控装置以及控制程序就可以进行操作。遥感装置主要分为以下几种：多旋翼飞行器、固定翼飞行器、垂直起降飞行器等。遥感装置主要由飞行载具、飞行控制系统、地面控制系统等构成。测试人员在地面控制遥感装置就能执行风力发电机组的测试任务，将相关气象及测试数据传输到地面装置进行存储。飞行控制系统是遥感装置的大脑，通过GPS 辅助遥感装置的平衡、失控返航系统[1]。

1 风力发电系统现状分析

随着近年来新能源产业的蓬勃发展，我国风机产业已达到国际先进水平。目前已建成全球最大的风电装备生产基地，产量占全球2/3 以上，建成了涵盖风电开发建设、设备制造、技术研发、检测认证、配套服务的成熟产业链。随着风电技术水平不断提高，掌握了关键核心技术，并且在适合低风速风况和恶劣环境风电机组开发方面取得突破性进展，在大容量机组开发上实现与世界同步。风机产品国产化程度达到90%以上，18 MW 海上风机、双转子漂浮式海上风电平台、陆上双风轮风电机组等一系列新产品研发成功，在显著提高风能利用效率的同时，也反映出我国风机产业正处于科技创新高度活跃的快速发展期[2-4]。

某油田严格执行国家生态环境保护法律法规和集团公司各项要求，积极践行绿色低碳发展战略，深入打好污染防治攻坚战，以绿色企业创建为着力点，不断提升油田清洁生产、绿色发展水平，“十四五”末将实现新能源装机规模200×104kW 以上、清洁能源替代率达20%以上。目前，已建设风力发电系统装机规模为30×104kW，预计年累计发电量9.357 × 108kWh， 年清洁能源利用量2.054×104tce，年减少CO2排放量70.59×104t。

2 风力发电机组的测试方法

2.1 测风装置的位置

测风装置安装时，不应距风力发电机组太近，否则在风力发电机组前面的风速会受影响。而且它也不应距风力发电机组太远，否则风速和输出功率之间的相关性将减小。测风装置应定位在距风力发电机组2D～4D （D 为风力发电机组风轮直径），推荐使用2.5D 的距离。

测风装置的最佳位置是位于风力发电机组的上风向， 测试过程中大部分有效风都来自这个方向。当风力发电机组安装在山脊上时，测风装置宜安置在风力发电机组旁边。

2.2 测量扇区

测量扇区的选择，应排除有明显障碍物和其他风力发电机组方向的影响。采用相关程序排除所有受邻近的风力发电机组和障碍物的尾流影响的扇区。测风装置距离要求及允许的最大测量扇区示意图见图1，给出了测风装置与被测风力发电机组距离分别是2D 、 2.5D 和4D 时，测风装置受到被测风力发电机组尾流影响而排除的扰动扇区，减小测量扇区的原因可能是特殊的地形情况，或者在有复杂构造物的方向上获取了不合适的测量数据。

图1 测风装置距离要求及允许的最大测量扇区示意图Fig.1 Distance requirements and maximum allowable measurement sector for wind measuring devices

2.3 数据采集及仪器准确度要求

风向、气压、湿度等气象参数采集时，需要在测量扇区内平均分布5 个区域，每个区域内的检测应该10 min 取一组数据，每一个数据点的采集周期不应超过10 s。遥感装置工作位置示意图见图2。

图2 遥感装置工作位置示意图Fig.2 Schematic diagram of remote sensing device operation

风轮等效风速测量应包含测量轮毂高度以上的风速。为了使基于测量的风切变校正可用，至少需要风轮扫掠面积范围内的三个高度的风速测量。为了使风速的不确定度尽可能的减少，建议尽可能多的测量不同高度风速。测量高度应对称的分布在轮毂中心垂直方向的两侧[5]。

测试所用的风速计、温度计、气压计的准确度（等级）分别为±0.1 m/s、±1 ℃、±1 Pa。

3 遥感装置的优势

1）技术先进，机动灵活。遥感装置作为新兴的测试平台，不仅价格低廉，还可以搭载各种灵敏传感器，而且还能自由的在指定的空间内进行气象参数的测试，针对单台风力发电机组进行运行情况检测时也无需暂停其他在运行的风力发电机组。风电场站内的测风塔不仅不能移动，而且造价昂贵；安装各种气象传感器的位置受测风塔高度限制，存在安全风险；同时只能测试预设高度内的气象数据不能自由的从各个高度采取气象数据。当对风力发电场中的单台风力发电机组进行运行情况检测时需要暂停其他风力发电机组的运行，来保证风切变参数的准确性，浪费大量的人力、时间且影响发电效率。

2）日常维修保养成本低。随着近年来科技的不断进步与发展，遥感装置技术在军事、农业、环境等多领域被频繁的使用，迅速发展了一批高质量的遥感装置及遥感装置相关配件的生产厂商，在市场激烈竞争的情况下，导致遥感装置的电动机、电池、地面设备等相关配件在日常维修与保养的费用越来越低，遥感装置的总体价格也越来越便宜[6-7]。

3）审批手续简单。中国民用航空局在2016 年9 月21 日公布的《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》中要求，对于在视距内飞行，且天气条件不影响持续可见无人驾驶航空器；民用无人驾驶航空器最大起飞重量小于或等于7 kg；不得对飞行活动以外的其他方面造成影响，包括地面人员和设施等，符合环境安全和社会治安等相关要求。只需要在无人驾驶航空器机身上标注型号、编号、以及联系方式等相关信息就可以操作遥感装置了，而且也不需要安装电子围栏，只需要提前了解测试现场是否有中国民用航空局规定的禁飞区即可。

4 遥感装置的缺点及改进建议

虽然使用遥感装置技术测试风力发电机组有很多的优点，但是在实际操作过程中遥感装置技术也存在很多的问题和不足。

1） 遥感装置电池续航能力差。按照标准要求，每台风力发电机组测试为保证测试气象数据的准确性，气象数据的采集不得低于1 h，经过大量的现场测试发现，新买的遥感装置勉强可以达到测试时间的要求，但随着使用次数的增加，电池的续航能力越来越差，日常工作中，每次执行测试风力发电机组均为3 台以上，并且现场不一定具备给遥感装置电池充电的条件，现场只能准备多个遥感装置电池来满足测试要求，这样无形增加了测试时长和测试成本。所以现有的电池技术不能满足日常的测试需求。针对上述情况，在遥感装置的机身上安装微型的太阳能板，可以对在执行测试过程中遥感装置的电池进行时时充电，有效解决了延长测试时间。

2）遥感装置传感器易损坏。由于利用遥感装置技术进行风力发电机组的运行状态测试，时间短，现场测试人员在遥感装置的功能选定上没有经验，最初选择了只能测风速的遥感装置系统，后期在遥感装置的机身上单独配置了温度、气压、湿度等传感模块，由于这些模块精度较高，且仪器使用的环境要求不统一，在日常的测试过程中有些环境超过了仪器正常使用的环境范围，导致所安装的传感器极容易损坏。通过测试经验的增加和遥感装置在数字化、网络化领域的进步和发展，测试人员发现国内已经有专业的厂商开始制造遥感装置专用的气象数据采集系统，该系统由温度数据采集、湿度数据采集、风速数据采集等一系列微小模块组成，这些模块精度高，并且准确符合测试要求。由于是集成型系统，各个微小模块的工作条件保持统一，而且各参数模块集成后，数据传输更加准确、及时，地面操作也得到了相应的简化，同时模块化集成气象数据采集系统大大降低了遥感装置整体质量，延长了遥感装置电池工作时长[8]。

3） 遥感装置在GPS 信号弱时易发生错误操作。在测试人员日常测试过程中发现，有一些特殊环境和地形利用遥感装置测试技术并不能满足测试要求。飞行控制系统就是遥感装置的大脑，他主要是通过GPS 反馈信号来执行遥感装置载具的自动平衡以及遥感装置载具失去控制时可以自动返航。测试人员经过和遥感装置设计人员的反复讨论关于GPS 信号弱的相关问题，最终设计人员确定可以取消已经购买的遥感装置GPS 信号反馈系统，改装为国产的北斗高精定位信号反馈系统。应用北斗系统后，遥感装置将具备北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显；北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精准授时、位置报告和短信通信服务五大功能[9]。

4）遥感装置应用环境受限。考虑到目前各种测试技术相对于不同复杂程度的地形存在的限制，总结了各种风速测量配置。遥感装置测试系统应用的前提是水平气流均匀的通过扫描体，该技术限制了遥感装置只能应用在非复杂地形条件下的风力发电机组的测试工作。风速测量配置情况见表1。

表1 风速测量配置情况Tab.1 Wind speed measurement configuration

测试人员通过对相关气象仪器的深入研究，发现利用雷达测量气象参数技术可以有效弥补遥感装置在复杂条件下的测试要求，雷达测量气象参数技术可以在短时间内评估多个地方，能测到测风塔更难测量的位置和高度，可短时间和测风塔进行对比观测，评估测风塔运行状态，能够快速安装部署，不需要复杂的计划和基础施工，可以测量3D 矢量风，实时采集记录12 个高度的数据。具有便携性、灵活性、时效性、安装快速和测量数据范围广等优点。但存在缺点：受大雾等天气影响，数据质量下降，无太阳时储蓄电瓶无法长时间供电，而且成本较高，不适宜长期观测，易损坏[10]。

5 结论

风力发电机组运行时极易存在低负荷、低效运行状态及管理不到位现象，浪费了能源也增加了运行成本。该装置研究填补了油田风力发电机组能效测试的空白，可以对油气田风力发电机组运行状态进行科学评价，同时能定性定量分析风力发电机组改造的节能效果。综上所述新型遥感测试装置较测风塔和普通遥感装置比较，能有效的缩短测试时间约15%，提高测试工作效率约20%。利用新型遥感设备测试风力发电机组的测试技术还有很大的改进空间，但随着新能源在国内与国际上发展越来越迅速，对于风力发电系统的稳定性及可靠性要求也越来越严格，通过新型遥感设备对风力发电场的监测，能快速、准确、有效的对风力发电场内的每台风力发电机组运行状态进行监测，保证风力发电系统能够有效、平稳、安全的运行。