小型風力機測試標準綜述

內蒙古工業大學能源與動力工程學院 ■ 包道日娜 姚明

0 引言

根據中國農業機械工業協會風能設備分會對行業內22 家主要生產制造企業上報的統計資料顯示，2013 年這22家中小型風電企業全年總生產量7.79 萬臺，總銷售量達到7.19 萬臺，總產值8.79 億元，總銷售額8億元，生產機組容量6.72萬kW，銷售機組容量6.1 萬kW，利稅總額1.96億元。其中有15 家企業上報的出口量1.97 萬臺，出口機組容量2.75 萬kW，出口額4100 多萬美元；另有3家永磁發電機生產企業產銷永磁發電機約9500 kW，銷售額達到2000 多萬元。2013年全國中小型風力發電機組出口到全球6大洲113個國家或地區，出口數量約13400多臺，出口額達到2395萬美元，平均每臺1700多美元，比2012 年的出口額減少9.5%[1]。

隨著國內中小型風力發電行業的不斷發展，中小型風力發電設備生產廠商持續增加，其產品大量涌入市場。在目前市場還不成熟、行業還不規范的情況下產生了諸多問題，如產品質量參差不齊、各生產廠商大打價格戰等。因此造成了市場混亂，損害了消費者利益，也不利于整個行業的良性發展。在此背景下，建立各方都認可的行業標準規范是非常必要的。目前，國際上已有專門適用于中小型風力發電機整機性能測試的標準，如：國際IEC 61400系列標準、美國《AWEA9.1小型風力發電機組性能與安全標準》[2]、英國《BWEA小型風力發電機組性能與安全標準》[3]等。

1 測試的主要內容

測試主要有3個方面：功率性能測試、噪聲測試和耐久性測試。主要依據的標準分別為IEC 61400-12-1《功率性能測試》、IEC 61400-11∶2006《噪聲測試》、IEC 61400-2《小型風力發電機組設計要求》、《AWEA9.1小型風力發電機組性能與安全標準》和《BWEA小型風力發電機組性能與安全標準》。AWEA和BWEA標準分別涵蓋了3項測試內容，均是在IEC標準的基礎上進行修改，要求基本相同只有微小區別。IEC 61400-2的第9部分對小型風力機的耐久性測試提出了要求。

1.1 功率性能測試

風力發電機組功率特性由功率曲線和年發電量(AEP)決定。功率曲線由同步測量的風速和風力發電機組輸出功率決定。年發電量是利用測試功率曲線和參考風速的頻率分布計算得出。功率性能測試的主要目的是：1)對風力發電機組進行分類；2)用于預測發電量；3)不同風機機組之間的比較；4)根據場地情況和發電量對測試機組進行功率性能的優化。

IEC 61400-12-1《功率性能測試》[4]對測試場地、測試設備、測量程序、數據處理都做了明確規定。

1.1.1 測試場地評估

測試場地的評估是為了選取合適的測試扇區來安裝測風塔，使測得的風速與風力機輸出功率有較好的相關性。測試前，需要對測試場地可能引起氣流畸變的因素進行評估，以便選擇測風塔的安裝位置，確定合適的測試扇區。如果場地地形會造成氣流畸變，就需評估適當的氣流畸變修正系數，確定其引起的不確定度。引起氣流畸變的因素可能有：不同地形的變化、被測風力發電機組之外的其他機組、障礙物(建筑物，樹林)等。

1.1.2 測量設備的要求

功率性能測試用到的設備主要有：功率變送器、電壓互感器、電流互感器、風速計、風向標、溫度傳感器、壓力傳感器、數據采集系統等。

功率變送器的準確度需要滿足IEC 60688的要求，級別為0.5級以上。電流互感器級別滿足IEC 60044-1的要求，電壓互感器級別滿足IEC 60044-2的要求，這兩種互感器的準確度為0.5級以上。風速的測量使用風杯式風速計，級別至少為1.7 A。主風速計安裝在測風塔頂端接近風機輪轂高度處，其下方橫桿上安裝次級風速計和風向標。溫度與壓力傳感器安裝在與輪轂高度差10 m的范圍內。數據采集系統用于采集并存儲功率及各項氣象數據，每個通道的采樣速率至少為1 Hz。

1.1.3 測量程序

按標準中具體要求安裝測試設備。測風塔安裝在測試扇區內，距離風機2D～4D之間(D為風輪直徑)。測量功率是指風機的凈功率，不包括風機的自身損耗，所以測試過程中應選擇正確位置安裝電流與電壓互感器。功率、風速及風向數據應以1 Hz或更高的采樣頻率連續采集，氣溫、氣壓及風力發電機組狀態可用較低采樣頻率采集，但至少每分鐘1次。數據采集系統應存儲采樣數據的最大值、最小值、平均值和標準偏差，所選數據組應基于10 min的連續測量數據。測試期間數據應周期性檢查以保證測試結果的高質量和可重復性。

1.1.4 數據處理

數據應進行氣流畸變修正和標準化到參考空氣密度下。空氣密度根據式(1)由氣溫和氣壓測量得出：

式中，ρ10min為得到的空氣密度10 min平均值；T10min為測得的絕對氣溫10 min平均值；B10min為測得的氣壓10 min平均值；R0為干燥空氣的氣體常數 287.05 J/(kg·K)。

對定槳距、定轉速的失速調節風力發電機組，根據式(2)對輸出功率進行標準化：

式中，Pn為標準化的輸出功率；P10min為測量功率10 min平均值；ρ0為標準空氣密度。

對變槳距的主動控制風力發電機組根據式(3)對風速進行標準化：

式中，Vn為標準化風速；V10min為測量風速10 min平均值。

功率曲線是對標準化后的數據組用“區間法”確定，即用0.5 m/s的區間(每個風速區間應至少有30 min的采樣數據，所有風速區間內總共應至少有180 h的采樣數據)，根據式(4)和式(5)對每一風速區間計算標準化后的風速平均值和標準化后的輸出功率平均值，即：

式中：Vi為第i個區間標準化的平均風速；Vn，i，j為第i個區間數組j標準化的風速；Pi為第i個區間標準化的平均輸出功率；Pn，i，j為第i個區間數組j標準化的輸出功率；Ni為第i個區間內10 min數據的數目。

年發電量是對不同參考風速的頻率分布應用功率曲線進行估算得到的，用于與形狀參數為2的威布爾分布完全相同的瑞利分布作為參考風速的頻率分布。當輪轂高度年平均風速分別為4 ～11 m/s(取整數)時，根據式(6)估算年發電量：

式中，Nh為1年中的小時數，約為8760 h；N為區間個數。

式中，F(V)為風速的瑞利積累概率分布函數；Vave為輪轂高度的年平均風速；V為風速。

求和初始化設置Vi-1=Vi–0.5 m/s，Pi-1=0.0 kW。1.1.5 不同標準在功率測試上的差別

1)標準中相同概念的不同定義方法。IEC對額定功率的定義為：正常工作條件下，風力發電機組達到的最大連續輸出功率；AWEA和BWEA對額定功率的定義為：功率曲線上風速為11 m/s時所對應的輸出功率。

IEC對年發電量的定義：利用功率曲線和輪轂高處不同風速頻率分布計算得到的1臺風力發電機1年時間所產生的全部電能；AWEA和BWEA對年發電量的定義：按照年平均風速為5 m/s計算得到1臺風力發電機1年時間所產生的全部電能。

2)不同標準對于功率測試的額外要求，見表1。

表1 不同標準對功率測試的要求

1.2 噪聲測試

噪聲測試的目的是為了獲取風力發電機組的噪聲發射特性，得到不同距離下風力機發出噪聲的大小。IEC 61400-11《噪聲測試》[5]中提供的方法可測量單臺風力發電機組從6 ～10 m/s整數風速時的視在A計權聲功率級、頻譜和音值。標準給出的測量程序在某些方面與城市噪聲研究中所采用的程序不同，考慮到風速和風向變化很大，前者更傾向于使風力發電機組噪聲描述更加簡便，測量步驟的標準化也便于不同風力發電機組之間的比較。標準中對測試設備、測量程序、數據處理都有明確規定。

1.2.1 測試設備

噪聲測試中除了用到氣象測量儀器外，還會用到測聲儀器。氣象測量儀器可參考功率測試中的描述。測聲儀器主要有聲級計、1/3倍頻程帶頻譜測試儀、窄帶頻譜測試儀。聲級計要滿足IEC 60804∶2000中1類聲級計的要求；1/3倍頻程帶頻譜測試儀至少要有45～11200 Hz的頻率范圍；窄帶頻譜測試儀要滿足IEC 60651∶1979中1類儀器頻率范圍20～11200 Hz的相關要求。

1.2.2 測量程序

傳聲器放在置于地面的平板(平板用直徑為1 m的金屬材料制成)上，用來采集噪聲數據。傳聲器的位置到風力發電機的距離為R0，R0=H+D/2(H為輪轂中心到地面的高度，D為風輪直徑)。氣象數據與聲音同時測量與采集，當風力發電機停機時，在相似風況下立刻測量背景噪聲。在測量背景噪聲時，要盡量做到背景聲音的測量能代表風力發電機噪聲輻射測量期間發生的背景噪聲。

1.2.3 數據處理

測量風速需轉換成基準高度10 m和基準粗糙程度0.05 m相應條件下的標準風速Vs。

式中，z0ref為基準粗糙長度，0.05 m；z0為粗糙長度；zref為基準高度，10 m；z為風速儀高度。

測量聲壓級要進行背景噪聲的修正，當平均背景噪聲聲壓級比風力發電機和背景噪聲的合成聲壓級低6 dB或更多時，修正值由式(9)確定：

式中，Ls為風力發電機組運行中自身的等效連續聲壓級；Ls+n為風力發電機組與背景合成噪聲等效連續聲壓級；Ln為背景等效連續聲壓級。

如果風力發電機組加背景噪聲的等效連續聲壓級Ls+n比背景噪聲高出值小于6 dB但大于3 dB，則Ls+n的值通過減去1.3 dB進行修正，且此數據需用“*”標記；這些數據不能用于確定視在聲功率級。如果這個差值小于3 dB，就不用記錄這些數據，只需記錄風力發電機組噪聲小于背景噪聲。

整數風速的視在聲功率級LWA，k由背景修正聲壓級LAeq，c，k計算得出：

式中，LAeq，c，k為基準條件下整數風速的背景修正的A計權聲壓級；R1為風輪中心到傳聲器的傾斜距離；S0為基準面積，S0=1 m2。

1.2.4 不同標準在噪聲測試上的差別

3種標準在采集數據的數量、測試內容和報告內容上有一定差別，見表2。

表2 不同標準對噪聲測試的要求

除此之外，AWEA標準在報告內容上增加了額定聲壓級、背景噪聲級、距離風輪中心不同位置聲壓級的關系曲線圖；BWEA引入了噪聲地圖這一概念，用一張圖形象地反映了風力發電機組噪聲發射特性，有助于用戶根據不同噪聲發射特性的機組選擇合適的安裝位置。

1.3 耐久性測試

耐久性測試的目的是為了驗證風力發電機組合理的使用壽命。IEC 61400-2《小型風力發電機組設計要求》[4]對耐久性測試的要求主要有：

1)風力發電機組至少穩定運行6個月，在穩定運行期間風力發電機組的大部件沒有損壞或更換，且輸出功率沒有明顯下降；

2)在不同的風速情況下，至少發電2500 h；

3)在大于等于1.2倍設計風速情況下至少發電250 h；在大于等于1.8倍設計風速情況下至少發電25 h；在大于等于2.2倍設計風速情況下至少發電2.5 h。

AWEA和BWEA在耐久性測試部分基本與IEC標準保持一致，增加了在15 m/s以上風速下至少發電25 h這一規定。

2 結語

以上介紹了IEC國際標準中關于小型風力發電機組測試的主要內容，選取了兩個具有代表性的國家標準與之對比，分別是美國的《AWEA小型風力發電機組性能與安全標準》和英國的《BWEA小型風力發電機組性能與安全標準》。兩個國家標準都參考了IEC國際標準，只稍有簡化和改動，在報告形式上更加友好，方便消費者使用。

我國中小型風力發電機國家標準有些已經頒布實施，有些正在起草。其中：GB/T 17646-2013《小型風力發電機組設計要求》和GB/T 29494-2013《小型垂直軸風力發電機組》(與中國臺灣地區共通標準)已經于2013年10月1日正式頒布實施。由農業部提出、中國農業機械工業協會主持和15 家企業共同參與的《小型風力發電機組運行和安全規范》農業行業標準正在起草中。GB/T 17646-2013《小型風力發電機組 設計要求》等同采用IEC 61400-11∶2006 ed-2.1版本，目前已經頒布了IEC 61400-11∶2013 ed-3.0版本，我國在這項標準的更新進度上相對滯后。臺灣對垂直軸小風機發展具有領先國際的優勢，兩岸合作制定頒布的GB/T 29494-2013《小型垂直軸風力發電機組》可增加我國小型垂直軸風力機在國際市場上的產品競爭力。

[1]祁和生，姚修偉，李德孚.2013年中小型風能行業發展形勢報告[J].中小型風能設備與應用， 2014， (1)∶ 15－21.

[2]AWEA 9.1， Small Wind Turbine Performance and Safety Standard[S].

[3]BWEA， Small Wind Turbine Performance and Safety Standard ed-2[S].

[4]IEC 61400-12-1， Power performance measurement of electricity producing wind turbines ed-1[S].

[5]IEC 61400-11， Acoustic noise measurement techniques ed-2.1 [S].

[6]IEC 61400-2， Design requirements for small wind turbines ed-2[S].