CN109239452A - 一种风力机功率性能测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力机功率性能测试系统，包括：传感器组，包括风速计、风向标、温度传感器和压力传感器，所述风速计为风杯式风速计，主风速计安装在测风塔顶端接近风机轮毂高度处，测风塔下方横杆上安装次级风速计和风向标，温度传感器与压力传感器安装在轮毂高度差10m的范围内；功率变送器，电压互感器，电流互感器，准确度级别均为0.5级以上；数据采集系统，用于采集并存储功率及各项气象数据，存储采样数据的最大值、最小值、平均值和标准偏差；以及主机，通过无线方式与数据采集系统连接，用于数据实时存储、分析和显示。还公开了相应的风力机功率特性测试方法，从而形成针对标准设计的测试系统和测试方案。

Description

一种风力机功率性能测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及功率性能测试技术领域，特别是风力机的功率性能测试系统及测试方法。

背景技术

标准IEC 61400-12-1、AWEA、BWEA规定了风力发电机组的功率性能测量方法。风力发电机组功率特性由功率曲线和年发电量 (AEP)决定，功率曲线由同步测量的风速和风力发电机组输出功率决定，年发电量是利用测试功率曲线和参考风速的频率分布计算得出。功率性能测试的主要目的在于：1)对风力发电机组进行分类；2) 用于预测发电量；3)不同风机机组之间的比较；4)根据场地情况和发电量对测试机组进行功率性能的优化。

然而现有技术中并没有专门针对标准设计的测试方案，也没有符合标准的数据采集硬件和数据处理软件配合形成的测试系统，从而造成风力发电机组功率性能测试无法得以标准的实施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力机功率性能测试系统，包括：

传感器组，包括风速计、风向标、温度传感器和压力传感器，所述风速计为风杯式风速计，级别至少为1.7A，主风速计安装在测风塔顶端接近风机轮毂高度处，测风塔下方横杆上安装次级风速计和风向标，所述温度传感器与压力传感器安装在轮毂高度差10m的范围内；

功率变送器，准确度级别为0.5级以上；

电压互感器，准确度级别为0.5级以上；

电流互感器，准确度级别为0.5级以上；

数据采集系统，用于采集并存储功率及各项气象数据，每个通道的功率、风速及风向数据采样速率至少为1Hz，气温、气压及风力机发电机组状态采用较低采样频率采集，至少每分钟1次，所述数据采集系统存储采样数据的最大值、最小值、平均值和标准偏差，所选数据组基于10分钟的连续测量数据，测试期间周期性检查所采集的数据从而保证高质量和可重复性的测试结果；以及

主机，通过无线方式与数据采集系统连接，用于数据实时存储、分析和显示。

本发明的目的还在于提供一种风力机功率性能测试方法，包括：

步骤1，进行测试场地的评估，从而选取合适的测试扇区来安装测风塔，使测得的风速与风力机输出功率有较好的相关性；

步骤2，安装测试设备；

步骤3，进行数据处理，进行气流畸变修正和标准化到参考空气密度下；

步骤4，对标准化后的数据组采用“区间法”确定功率曲线，并对每一风速区间计算标准化后的风速平均值和标准化后的输出功率平均值；

步骤5，对不同参考风速的频率分布应用所述功率曲线估算年发电量。

优选的，所述步骤1所述测试前，对测试场地可能引起气流畸变的因素进行评估，从而选择测风塔的安装位置，并确定合适的测试扇区；当场地地形会造成气流畸变的情况下，评估适当的气流畸变修正系数，确定其引起的不确定度。

优选的，引起气流畸变的因素包括：不同地形的变化、被测风力机的发电机组之外的其他机组和/或障碍物。

优选的，所述步骤2包括：测风塔安装在测试扇区内，距离风机 2D-4D之间，所述D为风轮直径。

优选的，所述步骤3包括：空气密度根据式(1)由气温和气压测量得出：，其中，ρ_10min表示得到的空气密度 10分钟平均值；T_10min为测得的绝对气温10分钟平均至；B_10min表示测得的气压10分钟平均值；R₀为干燥空气的气体常数287.05J(kg·K)；

对于浆距、定转速的失速调节风力发电机组，根据式(2)对输出功率进行标准化：式中，P_n为标准化的输出功率；P_10min为测量功率10分钟平均值；ρ₀为标准空气密度；

对于变浆距的主动控制风力发电机组根据式(3)对风速进行标准化：

式中，V_n为标准化风速；V_10min为测量风速10分钟平均值。

优选的，所述步骤4采用0.5m/s区间确定标准化后的数据组，根据式(4)和式(5)对每一风速区间计算标准化后的风速平均值和标准化后的输出功率平均值，即：

式中，V_i为第i个区间标准化的平均风速；V_n,i,j为第i个区间数组j 标准化的风速；P_i为第i个区间标准化的平均输出功率；P_n,i,j为第i个区间数组j标准化的输出功率；N_i为第i个区间内10分钟数据的数目。

优选的，所述步骤5的所述估算用于与形状参数为2的威布尔分布完全相同的瑞利分布作为参考风速的频率分布，当轮毂高度年平均风速粉笔为4-11m/s时，根据式(6)估算年发电量：

式中，

N_h为1年中的小时数，约为8760h，N为区间个数；

式中

F(V)为风速的瑞利积累概率分布函数；V_ave为轮毂高度的年平均风速；V为风速，求和初始化设置：

V_i-1＝V_i-0.5m/s，P_i-1＝0.0kW。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

图1为根据本发明实施例的风力机功率性能测试方法流程图。

具体实施方式

介绍本实施例前澄清如下概念：测量功率：风机的净功率，不包括风机的自身损耗，因此测试过程中选择正确位置安装电流与典雅互感器。该实施例采用的风力机功率性能测试系统，包括：传感器组，包括风速计、风向标、温度传感器和压力传感器，所述风速计为风杯式风速计，级别至少为1.7A，主风速计安装在测风塔顶端接近风机轮毂高度处，测风塔下方横杆上安装次级风速计和风向标，所述温度传感器与压力传感器安装在轮毂高度差10m的范围内；功率变送器，准确度级别为0.5级以上；电压互感器，准确度级别为0.5级以上；电流互感器，准确度级别为0.5级以上；数据采集系统，用于采集并存储功率及各项气象数据，每个通道的功率、风速及风向数据采样速率至少为1Hz，气温、气压及风力机发电机组状态采用较低采样频率采集，至少每分钟1次，所述数据采集系统存储采样数据的最大值、最小值、平均值和标准偏差，所选数据组基于10分钟的连续测量数据，测试期间周期性检查所采集的数据从而保证高质量和可重复性的测试结果；以及主机，通过无线方式与数据采集系统连接，用于数据实时存储、分析和显示。

参见图1，风力机功率性能测试方法，包括：

步骤1，进行测试场地的评估，从而选取合适的测试扇区来安装测风塔，使测得的风速与风力机输出功率有较好的相关性，测试前，对测试场地可能引起气流畸变的因素进行评估，从而选择测风塔的安装位置，并确定合适的测试扇区；当场地地形会造成气流畸变的情况下，评估适当的气流畸变修正系数，确定其引起的不确定度。引起气流畸变的因素包括：不同地形的变化、被测风力机的发电机组之外的其他机组和/或障碍物。

步骤2，安装测试设备，包括：测风塔安装在测试扇区内，距离风机2D-4D之间，所述D为风轮直径；

步骤3，进行数据处理，进行气流畸变修正和标准化到参考空气密度下，包括：空气密度根据式(1)由气温和气压测量得出：，其中，ρ_10min表示得到的空气密度10分钟平均值；T_10min为测得的绝对气温10分钟平均至；B_10min表示测得的气压10 分钟平均值；R₀为干燥空气的气体常数287.05J(kg·K)；

对于浆距、定转速的失速调节风力发电机组，根据式(2)对输出功率进行标准化：式中，P_n为标准化的输出功率；P_10min为测量功率10分钟平均值；ρ₀为标准空气密度；

对于变浆距的主动控制风力发电机组根据式(3)对风速进行标准化：

式中，V_n为标准化风速；V_10min为测量风速10分钟平均值。

步骤4，对标准化后的数据组采用“区间法”确定功率曲线，并对每一风速区间计算标准化后的风速平均值和标准化后的输出功率平均值，采用0.5m/s区间确定标准化后的数据组，本实施例中，每个风速区间至少有30分钟的采样数据，所有风速区间内总共至少有180小时的采样数据根据式(4)和式(5)对每一风速区间计算标准化后的风速平均值和标准化后的输出功率平均值，即：

式中，V_i为第i个区间标准化的平均风速；V_n,i,j为第i个区间数组j 标准化的风速；P_i为第i个区间标准化的平均输出功率；P_n,i,j为第i个区间数组j标准化的输出功率；N_i为第i个区间内10分钟数据的数目。

步骤5，对不同参考风速的频率分布应用所述功率曲线估算年发电量。用于与形状参数为2的威布尔分布完全相同的瑞利分布作为参考风速的频率分布，当轮毂高度年平均风速粉笔为4-11m/s时，根据式(6)估算年发电量：

式中，

N_h为1年中的小时数，约为8760h，N为区间个数；

式中

F(V)为风速的瑞利积累概率分布函数；V_ave为轮毂高度的年平均风速；V为风速，求和初始化设置：

V_i-1＝V_i-0.5m/s，P_i-1＝0.0kW。

实施例实施前需要注意标准中相同概念具有不同的定义方法，IEC对额定功率的定义为正常工作条件下，风力发电机组达到最大连续输出的功率；而AWEA和BWEA对额定功率的定义为功率曲线上风速为11m/s时所对应的输出功率。此外，IEC对年发电量的定义为利用功率曲线和轮毂高处不同风速频率分布计算得到的1台风力发电机1年时间所产生的全部电能；AWEA和BEWA对年发电量的定义为按照年平均风速为5m/s计算得到1台风力发电机1年时间所产生的全部电能。

另外不同标准对于功率测试具有额外的要求，对于IEC，电池组不作为风机的电气系统而是作为负载进行考量，输电电缆的接线长度不能超过3倍塔筒高度，对于数据量，每个风速仓至少10个1分钟数据，风速仓从低于切入风速1-14m/s，尾舵控制型风机还需记录尾舵控制的全风速段数据。对于AWEA和BWEA，电池组作为风机电气系统进行考量，输电电缆长度不能小于8被叶轮直径，对于数据量每个风速仓至少10个1分钟数据，风速仓从低于切入风速1m/s到高于95％最大输出功率5m/s的风速。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (8)

1.一种风力机功率性能测试系统，其特征在于包括：

传感器组，包括风速计、风向标、温度传感器和压力传感器，所述风速计为风杯式风速计，级别至少为1.7A，主风速计安装在测风塔顶端接近风机轮毂高度处，测风塔下方横杆上安装次级风速计和风向标，所述温度传感器与压力传感器安装在轮毂高度差10m的范围内；

功率变送器，准确度级别为0.5级以上；

电压互感器，准确度级别为0.5级以上；

电流互感器，准确度级别为0.5级以上；

数据采集系统，用于采集并存储功率及各项气象数据，每个通道的功率、风速及风向数据采样速率至少为1Hz，气温、气压及风力机发电机组状态采用较低采样频率采集，至少每分钟1次，所述数据采集系统存储采样数据的最大值、最小值、平均值和标准偏差，所选数据组基于10分钟的连续测量数据，测试期间周期性检查所采集的数据从而保证高质量和可重复性的测试结果；以及

主机，通过无线方式与数据采集系统连接，用于数据实时存储、分析和显示。

2.一种使用权利要求1所述风力机功率性能测试系统进行的风力机功率性能测试方法，其特征在于包括：

步骤1，进行测试场地的评估，从而选取合适的测试扇区来安装测风塔，使测得的风速与风力机输出功率有较好的相关性；

步骤2，安装测试设备；

步骤3，进行数据处理，进行气流畸变修正和标准化到参考空气密度下；

步骤4，对标准化后的数据组采用“区间法”确定功率曲线，并对每一风速区间计算标准化后的风速平均值和标准化后的输出功率平均值；

步骤5，对不同参考风速的频率分布应用所述功率曲线估算年发电量。

3.根据权利要求2所述的风力机功率性能测试方法，其特征在于：所述步骤1所述测试前，对测试场地可能引起气流畸变的因素进行评估，从而选择测风塔的安装位置，并确定合适的测试扇区；当场地地形会造成气流畸变的情况下，评估适当的气流畸变修正系数，确定其引起的不确定度。

4.根据权利要求3所述的风力机功率性能测试方法，其特征在于：引起气流畸变的因素包括：不同地形的变化、被测风力机的发电机组之外的其他机组和/或障碍物。

5.根据权利要求2所述的风力机功率性能测试方法，其特征在于：所述步骤2包括：测风塔安装在测试扇区内，距离风机2D-4D之间，所述D为风轮直径。

6.根据权利要求2所述的风力机功率性能测试方法，其特征在于：所述步骤3包括：空气密度根据式(1)由气温和气压测量得出：，其中，ρ_10min表示得到的空气密度10分钟平均值；T_10min为测得的绝对气温10分钟平均至；B_10min表示测得的气压10分钟平均值；R₀为干燥空气的气体常数287.05J(kg·K)；

对于浆距、定转速的失速调节风力发电机组，根据式(2)对输出功率进行标准化：式中，P_n为标准化的输出功率；P_10min为测量功率10分钟平均值；ρ₀为标准空气密度；

对于变浆距的主动控制风力发电机组根据式(3)对风速进行标准化：

式中，V_n为标准化风速；V_10min为测量风速10分钟平均值。

7.根据权利要求2所述的风力机功率性能测试方法，其特征在于：所述步骤4采用0.5m/s区间确定标准化后的数据组，根据式(4)和式(5)对每一风速区间计算标准化后的风速平均值和标准化后的输出功率平均值，即：

式中，V_i为第i个区间标准化的平均风速；V_n,i,j为第i个区间数组j标准化的风速；P_i为第i个区间标准化的平均输出功率；P_n,i,j为第i个区间数组j标准化的输出功率；N_i为第i个区间内10分钟数据的数目。

8.根据权利要求2所述的风力机功率性能测试方法，其特征在于：所述步骤5的所述估算用于与形状参数为2的威布尔分布完全相同的瑞利分布作为参考风速的频率分布，当轮毂高度年平均风速粉笔为4-11m/s时，根据式(6)估算年发电量：

式中，

N_h为1年中的小时数，约为8760h，N为区间个数；

式中

F(V)为风速的瑞利积累概率分布函数；V_ave为轮毂高度的年平均风速；V为风速，求和初始化设置：

V_i-1＝V_i-0.5m/s，P_i-1＝0.0kW。