油氣田風力發(fā)電系統(tǒng)一體化測試技術研究

王業(yè)開（中國石油天然氣集團有限公司節(jié)能技術監(jiān)測評價中心）

1 風力發(fā)電測試概述

1.1 油氣田企業(yè)風力發(fā)電系統(tǒng)組成及工作原理

風力發(fā)電機是將風能轉換為機械功，機械功帶動轉子旋轉，最終輸出交流電的電力設備。常見的風力發(fā)電系統(tǒng)主要組成為：葉片、機艙、變速箱、制動器、發(fā)電機、偏航裝置、變槳機構、塔架、風速計及風向標等，其一般基本組成結構如圖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，并將風力傳送到轉子軸心。現(xiàn)代600 kW風力發(fā)電機上，每個轉子葉片的測量長度大約為20 m[1-2]。

2）機艙：機艙包容著風力發(fā)電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風力發(fā)電機塔進入機艙。機艙左端是風力發(fā)電機轉子，即轉子葉片及軸[3]。

3）變速箱：變速箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉速提高至低速軸的50倍。

4）制動器：緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風力發(fā)電機被維修時[4-5]。

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

6）偏航裝置：借助電動機轉動機艙，以使轉子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。圖1中顯示了風力發(fā)電機偏航。通常，在風改變其方向時，風力發(fā)電機一次只會偏轉幾度。

圖1 風力發(fā)電系統(tǒng)組成結構示意圖Fig.1 Combined structure of wind power generation system

7）變槳機構：通過調節(jié)槳葉的節(jié)距角，改變氣流對槳葉的攻角，進而控制風輪捕獲的氣動轉矩和氣動功率。變槳系統(tǒng)作為大型風電機組控制系統(tǒng)的核心部分之一，對機組安全、穩(wěn)定、高效的運行具有十分重要的作用[6]。

8）塔架：風力發(fā)電機塔載有機艙及轉子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大，現(xiàn)代600 kW風機的塔高為40～60 m。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內部的梯子到達塔頂，格狀的塔的優(yōu)點在于造價低[7-8]。

9）風速計及風向標：用于測量風速及風向。

10）控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風力發(fā)電機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風力發(fā)電機的轉動，并通過電話調制解調器來呼叫風力發(fā)電機操作員[9-10]。

1.2 風力發(fā)電系統(tǒng)能效評價指標

風力發(fā)電系統(tǒng)的能效評價指標主要包括5項：綜合場用電率、變電站用電率、送出線損率、發(fā)電場用電率、功率系數(shù)。

1.3 測試項目和測點布置

1.3.1 測試項目

風力發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)場記錄和測試數(shù)據(jù)主要包含以下內容：測試日期、時間、地點和人員；風力發(fā)電機組的型號、生產廠家、出廠編號及出廠日期；風電場發(fā)電量，電壓、電流、功率；風電場用網電量，電壓、電流、功率；風電場上網電量，電壓、電流、功率；風電場變電站用電量，電壓、電流、功率；風電場出口處的電量，電壓、電流、功率；距風力發(fā)電機組2～4 D（D為風力發(fā)電機組風輪直徑）的風速、風向、氣溫、氣壓、相對濕度。

根據(jù)風力發(fā)電系統(tǒng)的5項評價指標的定義和計算方法，該系統(tǒng)涉及的基礎參數(shù)和測試項目見3.2.1。

1.3.2 測點布置

風力發(fā)電站的測點布置如圖2所示。各測點所測試的參數(shù)見表1。風力發(fā)電系統(tǒng)測試儀器（性能指標）匯總見表2。

圖2 風力發(fā)電單元測點布置Fig.2 Unit measuring point of wind power generation

2 測試裝置方案

2.1 測試裝置組成

風力發(fā)電測試系統(tǒng)由被測系統(tǒng)和一體化測試裝置兩大部分構成。其中，一體化測試裝置主要包括三個組成單元：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理，測試系統(tǒng)及一體化裝置的結構示意圖如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

2.2.1 數(shù)據(jù)采集方式

測試裝置所需測試的基礎參數(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)，各項基礎參數(shù)主要通過相應的測試儀器（傳感器等）實現(xiàn)信息的采集，同時利用儀表自身的存儲功能或實時無線傳輸至服務器實現(xiàn)對所采集的基礎數(shù)據(jù)進行實時讀取、存儲、計算等功能。

表1 各測點測試參數(shù)Tab.1 Test parameters at each test point

表2 風力發(fā)電系統(tǒng)測試儀器（性能指標）匯總Tab.2 Tester（performance metrics）summary table of wind power generation

2.2.2 測試儀器選型

1）氣象數(shù)據(jù)測試儀器。風力發(fā)電系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)測試（采集）儀器應符合GB/T 18451.2—2012的要求，各裝置彼此之間應保持時間同步，時間偏差應小于10μs，所需測試的氣象基礎數(shù)據(jù)及相應測試儀器的選用要求見表3。

2）電能數(shù)據(jù)測試儀器。風力發(fā)電系統(tǒng)所需測試的電能基礎數(shù)據(jù)及相應測試儀器的選用要求見表4。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

2.3.1 信號傳輸方式

數(shù)據(jù)傳輸單元主要實現(xiàn)被測系統(tǒng)前端測試數(shù)據(jù)與終端設備（計算機）最終接收到的測試數(shù)據(jù)之間的傳輸過程和功能。該測試過程采用的信號傳輸方式為ZigBee傳輸。測試儀器將測試數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)絑igBee遠程數(shù)據(jù)采集中心。若測試儀器不具備無線遠傳功能，需配備無線中繼控制器，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的無線傳輸。ZigBee遠程數(shù)據(jù)采集中心與終端設備（計算機）有線連接，進行數(shù)據(jù)的匯總、顯示與處理，如圖3所示。

表3 氣象基礎數(shù)據(jù)測試儀器選擇標準Tab.3 Selection criteria of meteorological basic data test instruments

表4 電能基礎數(shù)據(jù)測試儀器選擇標準Tab.4 Selection criteria of electric basic data test instruments

2.3.2 信號傳輸設備選型

除了適用于該測試裝置的信號傳輸設備配置基本要求見表5。

圖3 風力發(fā)電系統(tǒng)一體化測試裝置組成結構示意圖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)處理單元主要是對采集傳輸至終端設備（計算機）的測試數(shù)據(jù)進行分析處理，完成系統(tǒng)能效評價指標的分析計算過程，該過程主要通過服務器或工作站（計算機等）硬件與相應的分析軟件相結合，實現(xiàn)系統(tǒng)各項能效評價指標的分析計算、數(shù)據(jù)及計算結果的存儲等相關操作。

表5 信號傳輸設備配置基本要求Tab.5 Configuration requirements for signal transmission devices

2.4.1 便攜式工業(yè)計算機

適用于該測試裝置的便攜式工業(yè)計算機配置基本要求見表6。

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

2.4.2 能效分析評價軟件

該軟件為自主研發(fā)，與測試裝置內部的工作站或計算機配套使用，可實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的基礎測試數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸及處理，以及各項能效評價指標的分析計算與評價。

該軟件主要包含4個功能模塊，分別為：基礎數(shù)據(jù)采集與存儲、指標分析計算、系統(tǒng)能效評價、數(shù)據(jù)庫維護。

3 能效評價指標測試與計算

3.1 測試準備、要求與測試方法

3.1.1 測試準備

風力發(fā)電系統(tǒng)的測試準備工作主要包括以下幾項內容：

1）測試負責人應由有測試經驗的專業(yè)人員擔任，測試過程中測試人員不宜變動。應根據(jù)被測系統(tǒng)及測試現(xiàn)場的實際情況制定具體的測試方案，測試方案應包括且不限于以下資料：測試任務和要求；測試項目；測點布置與測試儀器；人員組織與分工；測試進度安排。

2）測試前后應檢查所用儀器，測量儀器儀表應定期檢定或校準且應具備法定計量部門出具的檢定合格證。

3）應按測試方案安裝測試儀器。

4）應全面檢查機組、系統(tǒng)各部件的運行狀況是否正常，是否具備測試條件。

5）正式測試前宜進行預備性測試，以全面檢查儀器是否正常工作。

3.1.2 測試基本要求

風力發(fā)電系統(tǒng)的測試基本要求包括以下幾項：在進行風力發(fā)電站效率的測試工作前，應搜集風力發(fā)電站基本信息；測試現(xiàn)場的人員安全要求應符合GB 26860的規(guī)定；測試應選擇晴天少云的天氣；測試周期應至少覆蓋一個日歷天；測試所用的儀器、儀表型式及準確度應符合2.2.2的要求。

3.1.3 測試方法

1）綜合場用電率測試。綜合場用電率的測試裝置應包括電量風電場的總發(fā)電量、風電場用網電量、風電場上網電量采集3部分。采集裝置應符合NB/T 31045—2013的規(guī)定，各裝置彼此之間應保持時間同步，時間偏差應小于10μs。同步測試單位時間的風電場的總發(fā)電量、風電場用網電量、風電場上網電量。

2）風電場的站用電率。綜合場用電率的測試裝置應包括風電場的總發(fā)電量、風電場的站用電量2部分。采集裝置應符合NB/T 31045—2013的規(guī)定，各裝置彼此之間應保持時間同步，時間偏差應小于10μs。同步測試單位時間的風電場的總發(fā)電量、風電場的站用電量。

3）變電站用電率測試。綜合場用電率的測試裝置應包括風電場的總發(fā)電量、變電站用電量2部分。采集裝置應符合NB/T 31045—2013的規(guī)定，各裝置彼此之間應保持時間同步，時間偏差應小于10μs。同步測試單位時間的風電場的總發(fā)電量、變電站用電量。

4）功率系數(shù)。綜合場用電率的測試裝置應包括風電場的總發(fā)電量、變電站用電量2部分。采集裝置應符合GB/T 18451.2—2021的規(guī)定，各裝置彼此之間應保持時間同步，時間偏差應小于10μs。

測風裝置應定位在距風力發(fā)電機組2 D～4 D（D為風力發(fā)電機組風輪直徑），推薦使用2.5 D的距離。風速、風向等監(jiān)控系統(tǒng)內需要檢測的數(shù)據(jù)應該每10 min取一組數(shù)據(jù)，每一個數(shù)據(jù)點的采集周期不應超過10 s，至少采集5組數(shù)據(jù)作為測試報告的原始記錄；同步測試單位時間的輸出功率。

3.2 能效評價指標計算

3.2.1 參數(shù)符號和單位

根據(jù)該系統(tǒng)的能效評價指標及測試項目，能效評價指標測試計算過程中所涉及的參數(shù)符號和單位匯總見表7。

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

3.2.2 指標計算

1）綜合場用電率。綜合場用電率是測試統(tǒng)計周期內，風電場生產運行過程中所使用和損耗的全部電量占總發(fā)電量的百分比，計算公式為

2）變電站用電率。變電站用電率是測試統(tǒng)計周期間內風電場變電站用電量占風電場總發(fā)電量的百分比，計算公式為

3）送出線損率。送出線損率是測試統(tǒng)計周期內送出線損耗占風電場總發(fā)電量的百分比，計算公式為

4）發(fā)電場用電率。發(fā)電場用電率是測試統(tǒng)計周期內發(fā)電和輸變電設備使用及消耗電量占風電場總發(fā)電量的百分比，計算公式為

Eg為風電場出口處的電量，從風電場升壓變壓器高壓側電能表讀取，如上網關口電能表裝設在風電場出口處，則Eg=Eout，在這種情況下Rs=0。

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

4 結論

大慶油田油氣資源富集，風能資源豐富，年有效風速持續(xù)時間長，年平均風速3.8 m/s，年大于6級風日數(shù)為30 d，80 m高度全年有效風速可利用小時數(shù)為2 200 h以上，適合建設風力發(fā)電站；油田擁有分布廣闊的企業(yè)電網，用電設備分布較為分散，適合分散式風電的開發(fā)，具備新能源電力接入的有利條件；油田生產每年需要大量電力，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，重點以變電所為依托，部署了風力發(fā)電總裝機容量320.1 MW。

油氣田風力發(fā)電系統(tǒng)一體化測試技術的應用，可以對油氣田用風力發(fā)電機組運行狀態(tài)進行科學評價，實現(xiàn)系統(tǒng)能耗低、經濟性好的目標，同時利于定性定量分析風力發(fā)電機組改造的節(jié)能效果。