潮流能發電機組功率特性測試研究

隨著越來越多海洋能發電裝置的研發和海試，對其運行狀況和發電效果進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電裝置測試場。而我國目前在潮流能發電裝置功率特性現場測試領域內，還沒有相關技術標準。本文結合風能、波浪能等清潔能源領域已較成熟的相關測試方法，給出了一種潮流能發電機組功率特性的試驗方案，并結合國際電工委員會發布的《IEC/TS 62600-200:2013 Marine energy給出了一種潮流能發電機組功率特性的試驗方案。

潮流能發電機組的功率特性

潮流能發電機組（Tidal energy converter，縮寫TEC）的主要電氣性能通常由功率特性和電能質量進行評價，其中，功率特性是潮流能發電機組發電能力的度量，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電機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，可以得出潮流能發電機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，在發電機組效率恒定（如恒定的齒輪箱速比）時，曲線基本保持三次多項式直到機組達到額定功率。

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系，測試應主要圍繞電功率、來流數據和環境數據的采集進行，為了獲得更為準確的測試數據，需要從測試場地、測試設備、測量程序和結果導出幾個方面，對測試提出要求。

1、測試場地

在進行功率特性測試時，推薦在水底地質條件平坦、不復雜的場地開展工作，并且在水文條件較為穩定的期間采集數據，以提高測試數據的準確性，并減小測試結果的不確定度。在測試開始前，應對測試場地相關的水文和地址資料進行評審，來評估場地的符合性，如果缺少相應資料，推薦先對場地進行探深測試，并獲取水文數據，再組織評估。

在IEC/TS 62600-200：2013標準中，對測試場地給出了更為量化的要求，其要求在機組前后各10倍有效葉輪直徑，上下左右各5倍有效葉輪直徑（即機組所在的一個20×10倍有效葉輪直徑的立方空間）范圍內，應依據國際海道測量組織（IHO）發布的文件對水文進行調查評估。原則上，機組的功率特性測試場地應沒有任何相較于機組設計工作環境下，可能造成性能激變的特殊條件（如場內存在影響流場的障礙物或特殊地形）。

2、測試設備

TEC功率特性測試所需的設備通常由數據采集器、電學傳感器、水流傳感器組成，并通過時鐘同步，實現測試數據的同步采集。

（1）功率測量系統

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，測量時需要單獨采集每一相的電流和電壓，并對應接入變送器內，從而得到實時功率值，對于電流和電壓的采集，可視具體情況，使用電流互感器、電壓互感器配合實現。所選用的功率測量裝置的精度等級應為0.5級或更高，在使用功率變送器時應滿足IEC 60688的要求，電流互感器應滿足IEC 61869-2的要求，如使用電壓互感器則應滿足IEC 61869-3的要求。同時，功率測量裝置的量程范圍應覆蓋被測TEC的瞬時功率正負峰值，通常，實際測試中選用的功率測量裝置的滿刻度量程，應為TEC額定輸出功率的5%～200%，額定輸入功率的-5%～50%。

（2）潮流狀態測量系統

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

在IEC/TS 62600-200：2013標準中提出，測試使用的聲學流速計應至少滿足以下技術條件：

● 采集記錄連續時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進行同時測量，測量范圍至少能夠覆蓋TEC葉輪掃掠高度；

● 可測量TEC葉輪掃掠范圍內來流的垂直廓線，采樣點的垂直間距不大于1m；

● 可測量TEC葉輪掃掠范圍內來流的垂直廓線，至少需包含10個采樣點；

● 數據采樣頻率可達1Hz或更高；

● 數據記錄需保留時間戳；

● 可采集記錄連續時間序列下的潮汐俯仰和翻滾廓線。

采集的測量數據應遵循以下條件：

● 記錄的速度范圍應覆蓋測試場地下最大和最小流速的全區間，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流速計位置信息。

另外，還需保留測試數據的任何可用信息，如：

圖2 順次放置俯視示意圖

● 特定流場數據采集方案下的固有多普勒噪聲；

● 整個測試期間的時間飄逸；

● 聲學流速計的標定信息；

● 聲學流速計的空白間隙；

● 聲學流速計的波束數和波束角度。

（3）數據采集系統

數據采集系統用于收集測量數據并存儲與處理數據，每個通道的數據采樣頻率都應在1Hz或更高。

（4）測量程序

測量程序的目標是采集滿足一系列明確要求的數據，測量程序應確保這些數據有足夠的數量和質量，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

各測試系統的布置位置，應能夠采集到TEC的準確運行數據。功率測試系統應安裝在TEC和電網連接點之間，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側或者網側進行。聲學流速計通常需要兩臺，同時對來流進行測量，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，應盡量沿主流向順序分別布置在TEC的上下游，且定位在距機組2D～5D（D為機組的等效葉輪直徑）位置，俯視示意圖見圖2、剖視示意圖見圖3；當水平放置時，應盡量沿葉輪平面布置在TEC的左右側，且定位在距機組1D～2D（D為機組的等效葉輪直徑）位置，俯視示意圖見圖4、剖視示意圖見圖5。

在測試期間，TEC應按照其運行手冊中的規定正常運行，并且機組配置和控制策略均不能改變。所采集的數據量至少應涵蓋一個大小潮周期，同時，參與統計分析的數據應只使用正常運行工況下的采集數據。數據應該以1Hz或更高的采樣頻率連續采集，數據采集系統應儲存采樣數據，或數據的統計值（包含：平均值、標準偏差、最大值、最小值），其中，統計值所選數據組應基于10min的連續測量數據。

另外，為了確定所測量的統計數據已足夠表征TEC的特性，且便于對測試結果進行評價比較，在IEC/TS 62600-200：2013標準中給出了數據庫的基本要求。

應針對漲潮作業期和退潮作業期分別建立數據庫，所選數據組采用區間法存儲，所選數據組應至少覆蓋擴展的流速范圍，即從切入流速的50%到額定功率對應流速的120%；另一選擇為，切入流速的50%到當地流場最大流速的80%，但需包含額定功率對應流速。流速范圍劃分為以0.05m/s整數倍的流速為中心，左右各0.025m/s的連續區間。

無論對漲潮期數據庫還是退潮期數據庫，當滿足下列條件時，數據庫才認為是完整的：

● 每一個流速區間至少包含30min的采樣數據；

● 數據庫包含至少180h的采樣數據。

（5）結果導出

TEC功率特性測試的結果通常以功率曲線的形式表示，應分別針對漲潮作業期和退潮作業期，建立兩條功率曲線。為了在統一的標準下對機組的功率特性進行評價，就需要對其進行標準化處理，在IEC/TS 62600-200：2013標準中就給出了詳細的數據處理方法。通常，結果的導出需要經過數據篩選、測量功率曲線的確定和不確定度分析幾個步驟。

①數據篩選

應確保只有在機組正常運行下采集的數據用于分析，且數據沒有被破壞，下列情況下的數據組應從數據庫中剔除：

● 在測試中或維護運行中人工停機；

● 機組故障引起的停機；

● 流速以外的其他外部條件超出機組的運行范圍；

● 測量儀器故障或降級；

● 機組由于外部原因工作于限制策略，如：電網限功率。

②測量功率曲線的確定

測量功率曲線是對經篩選后的漲潮/退潮期的數據組用區間法確定的，即用0.05m/s的區間，依據公式對每一流速區間的流速平均值和輸出功率平均值。

同時，需要注意的是，由于流體的粘性較氣體大很多，垂直切變效應更為明顯，因此，每一數據點上流速的定義均應以等效葉輪流速的形式表示。等效葉輪流速是與流經葉輪掃掠區域動能相關的流速，當獲得了至少三個高度的流速。

③不確定度分析

所測功率曲線應附有測量不確定度的評定。評定應利用區間法作為確定不確定度的理論基礎，并基于ISO出版的測量不確定度表示指南（ISO/IEC Guide 98-3:2008）進行。依據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。這兩類不確定度都以標準偏差表示，并且表示為標準不確定度。

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

表1 不確定度分量表

表2 擴展不確定度

表3 測試設備

在完成識別各測量參數的標準不確定度后，即可對各區間內功率的不確定度進行評價。

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

示例

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

測試過程中，潮流能機組通過一座自提升式平臺至于海水中。功率特性采集系統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；海流計安裝于潮流能發電機組的正前端，在與機組運行水深同一位置。主要測試設備如表3所示。

通過采集約30天的運行數據后，經處理得到機組的漲潮/退潮功率曲線，見圖6及圖7：

圖6 漲潮工況下機組功率曲線

圖7 退潮工況下機組功率曲線

文章從測試場地、測試設備、測量程序和結果導出幾個方面，對測試提出要求，給出了潮流能發電機組功率特性測試的方法，并結合IEC/TS 62600-200:2013標準中的內容，對測試結果進行評價，最后結合實際案例進行了應用驗證，為進一步開展潮流能發電機組的海試工作，完善潮流能發電機組的性能評價體系提供了依據和參考，具有一定的指導意義。