CN111102120A - 一种波浪能发电装备功率特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波浪能发电装备功率特性测试方法，具体包括如下步骤：收集测试站点的历史数据，建立波浪模型，确定波浪仪布放位置；利用波浪测量仪测量波浪数据，计算有效波高、能量周期和波浪功率密度；根据实测数据计算功率矩阵和年发电量来描述波浪能发电装备的功率特性。本发明针对目前波浪能发电装备功率特性现场测试相关技术方法的不足，重点解决单台波浪能发电装备功率特性的测试和分析方法，适用于并网或与蓄电池相连的波浪能发电装备在实海况条件下的功率特性测试。

Description

一种波浪能发电装备功率特性测试方法

技术领域

本发明属于海洋可再生能源技术领域，尤其是涉及一种波浪能发电装备功率特性测试方法。

背景技术

在波浪能发电装置实海况示范运行的过程中，功率特性和电能质量特性是衡量波浪能发电装置发电性能的重要指标。功率特性指标主要包括：功率特性矩阵、转换效率、年发电量等；电能质量特性指标主要包括：电压偏差、频率偏差、三项不平衡度等指标。对于波浪能发电装置功率特性和电能质量特性进行测试与评价，有利于波浪能发电装置研发水平的提升，促进波浪能发电装置的产业化进程与商业化应用。

近年来，波浪能立足自主创新，研发出一批振荡浮子式、摆式、筏式等波能转换装置，部分在转换效率方面处于国际先进。其中300kW鹰式波浪能发电装置“万山号”海试期间累计发电量超过3万度，已实现为万山岛提供电力供给。

目前研发的波浪能发电装置约40个，装机容量范围10瓦-300千瓦。从技术发展阶段来看，大部分属于初级海试阶段，装置在实海况条件下运行效果不佳，海试过程中出现发电效率不高、易破坏等问题，实际海况下运行的可靠性、稳定性等同样有待提升。

由于我国波浪能发电装备型式多样，部分装备型式对我国海域的适应性尚未得到更好地论证，开展波浪能发电装备现场测试，一方面可以了解装备对布放海域的适应能力，从而指导后续的研发工作；另一方面可以更系统地了解装备的发电能力和发电品质，全方位了解装备性能，为技术的提升和改进提供数据支撑。对促进波浪能发电装备测试和评价能力的提高，逐步建立测试和评价体系，推动我国海洋能开发利用装备制造业成长有着重要的现实意义。

发明内容

有鉴于此，本发明针对目前波浪能发电装备功率特性现场测试相关技术方法的不足，重点解决单台波浪能发电装备功率特性的测试和分析方法，适用于并网或与蓄电池相连的波浪能发电装备在实海况条件下的功率特性测试。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种波浪能发电装备功率特性测试方法，具体包括如下步骤：

(1)收集测试站点的历史数据，建立波浪模型，确定波浪仪布放位置；

(2)利用波浪测量仪测量波浪数据，计算有效波高、能量周期和波浪功率密度；

(3)根据实测数据计算功率矩阵和年发电量来描述波浪能发电装备的功率特性。

进一步的，所述步骤(1)中搜集测试站点附近至少一年的波浪历史数据，建立波浪模型评估潮汐、海流和地形因素对波浪能资源空间分布的影响，初步确定波浪测量仪器的布放位置，将历史数据和补充数据作为波浪模型的输入和验证条件。

进一步的，所述步骤(2)中采用谱分析方法推导波浪参数，其中应至少计算有效波高、能量周期和波浪功率密度，

c)根据测量仪器和采样频率选择谱分析的频率范围；

d)n＝-1和n＝0时的谱矩由下式计算：

其中，m_n——方差谱的第n阶矩；

N——功率矩阵单元的数量；

S_i——频率分量i的谱密度，m²/Hz；

f_i——第i个波浪分量的频率；

f)谱估计的有效波高H_m0定义为：

g)能量周期T_e定义为：

h)波浪功率密度J定义为：

式中：

c_gi——第i个波浪分量的群速度，定义为：

c_pi——第i个波浪分量的相速度，定义为：

深水条件下

其中，ρ——海水密度，kg/m³；g——重力加速度，m/s²。

进一步的，所述步骤(3)中，根据波浪能装备输出电压u(t)、电流i(t)测量结果，装备的瞬间发电功率由公式(8)计算：

式中：

P——发电机输出电功率，W；

u(t)——发电机直接输出的瞬时电压，V；

i(t)——发电机直接输出的瞬时电流，A；

t——累积时间，s。

电压、电流信号以离散量表示的电功率的表达式为：

其中：

Δt——采样间隔时间，s；

N——采样总次数；

u_k——某一瞬时电压的采样值，V；

i_k——某一瞬时电流的采样值，A。

进一步的，所述步骤(3)中，使用功率矩阵表示波浪能发电装备的功率特性，先建立波浪能发电装备的捕获长度矩阵，再通过捕获长度矩阵计算功率矩阵；

采用比恩法建立波浪能发电装备的捕获长度矩阵和功率矩阵，采用有效波高和能量周期来定义功率矩阵单元，根据测试站点的实际波况确定功率矩阵中有效波高和能量周期的变化范围，进而确定有效波高和能量周期的增量。

进一步的，捕获长度的计算，捕获长度等于输出电功率P除以波浪功率密度J：

捕获长度矩阵的计算

应至少记录捕获长度矩阵每个单元内的以下信息：

平均捕获长度；捕获长度标准差；最大捕获长度；最小捕获长度；数据的个数；

每个矩阵单元内捕获长度的平均值和标准差根据下列公式计算：

功率矩阵的计算

功率矩阵由捕获长度矩阵每个单元内捕获长度的平均值与相应单元中心位置对应的波浪功率密度相乘来计算；

年发电量是利用测量得到的功率矩阵结合一年内波浪能资源分布情况所计算出的波浪能发电装备一年内生产的全部电能，按照公式进行计算

式中：

Fi——功率矩阵中第i个单元对应的海况在一年内的发生概率，

A_v——可利用率，在测试周期内波浪能发电装备无故障正常工作时间与整个测试时间的比值，测试周期至少为30天。

相对于现有技术，本发明所述的一种波浪能发电装备功率特性测试方法具有以下优势：

(1)本发明的对于波浪能发电装备功率特性进行测试与评价，有利于波浪能发电装备研发水平的提升，促进波浪能发电装备的产业化进程与商业化应用；

(2)开展波浪能发电装备现场测试，一方面可以了解装备对布放海域的适应能力，从而指导后续的研发工作；另一方面可以更系统地了解装备的发电能力和发电品质，全方位了解装备性能，为技术的提升和改进提供数据支撑，推动我国海洋能开发利用装备制造业成长有着重要的现实意义。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述中的功率散点示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明针对目前波浪能发电装备功率特性现场测试相关技术方法的不足，重点解决单台波浪能发电装备功率特性的测试和分析方法，适用于并网或与蓄电池相连的波浪能发电装备在实海况条件下的功率特性测试。

本发明的测试过程分为测试前阶段、测试阶段和测试后阶段三部分。测试前阶段对测试站点进行水文、地形等历史数据搜集，开展必要的补充调查或建立波浪模型；测试阶段进行波浪和波浪能发电装备输出电功率的现场测量；测试后阶段根据实测数据计算功率矩阵和年发电量来描述波浪能发电装备的功率特性。

测试前阶段

用于确定波浪能发电装备功率特性的单组波浪测量数据的采样时长至少为30min，输出电功率数据与波浪数据的采集同步。波浪测量的采样频率至少为1Hz，电功率测量的采样频率至少为2Hz。

1、历史数据搜集

搜集测试站点附近至少一年的波浪历史数据，以及建立波浪模型所必需的潮位、海流和地形历史数据，如果缺少上述历史数据，则进行补充调查。

补充调查要素包括

波浪

测量测试海域边界和内部各至少一个测点的波浪参数。

波浪观测应符合GB/T 12763.2-2007的要求。

潮位

应测量测试站点附近至少一个测点的潮位。

潮位观测应符合GB/T 12763.2-2007的要求。

海流

应至少测量一个测点的一层海流流速和流向。

海流观测应符合GB/T 12763.2-2007的要求。

地形

应测量波浪能发电装备安装位置及周围海域的地形，能够覆盖所建波浪数学模型范围。

地形勘测应符合GB/T 12763.2-2007的要求。

2、建立波浪模型

建立波浪模型评估潮汐、海流和地形等因素对波浪能资源空间分布的影响，初步确定波浪测量仪器的布放位置。历史数据和补充调查结果作为波浪模型的输入和验证条件，波浪模型的空间分辨率应精确到能够分别反映出波浪能发电装备及波浪测量仪器布放位置两点处的波浪功率密度，若两者波浪功率密度的偏差小于10％，则认为波浪测量仪器的测量结果能正确地代表波浪能发电装备布放位置的波况。

测试阶段

波浪参数测量与计算

1、波浪测量仪器

对于离岸波浪能发电装备，通常使用浮球式测波仪。对于近岸或岸基波浪能发电装备，宜采用坐底式声学测波仪。波浪测量仪器的分辨率至少为1cm，采样频率至少为1Hz。

2、仪器布放位置的选择

波浪测量仪器宜布放在最能够代表波浪能发电装备所处波况的位置。在波浪模型模拟结果的基础上，宜充分考虑波浪能发电装备布放之后的反射、辐射、绕射和遮蔽效应，使波浪能发电装备与波浪测量仪器之间的相互影响最小化。

波浪测量仪器的布放水深宜与波浪能发电装备的布放水深相近，且两者之间的地形尽量平坦。

3、波浪参数的计算

采用谱分析方法推导波浪参数，其中应至少计算有效波高、能量周期和波浪功率密度。根据测量仪器和采样频率选择谱分析的频率范围。谱分析的频率范围宜在0.033Hz到0.50Hz之间，最大的频率增量不宜超过0.015Hz。

1)n＝-1和n＝0时的谱矩由下式计算：

其中，m_n——方差谱的第n阶矩；

N——功率矩阵单元的数量；

S_i——频率分量i的谱密度，m²/Hz；

f_i——第i个波浪分量的频率；

2)谱估计的有效波高H_m0定义为：

3)能量周期T_e定义为：

4)波浪功率密度J定义为：

式中：

c_gi——第i个波浪分量的群速度，定义为：

c_pi——第i个波浪分量的相速度，定义为：

注：深水条件下

其中，ρ——海水密度，kg/m³；g——重力加速度，m/s²。

波浪能发电装备输出电功率测量

1、电功率测量仪器

使用电流传感器进行电流测试时应符合GB/T 1208-2006的要求。其准确度至少为0.5级，测量范围至少为额定值的2倍。

使用电压传感器进行电压测试时应符合GB/T 1207-2006的要求。其准确度至少为0.5级，测量范围至少为额定值的2倍。

使用功率变送器进行电功率测试时应符合GB/T 13850的要求。其准确度至少为0.5级，测量范围至少为额定值的1.5-2倍。

电功率测量的采样频率至少为2Hz。

电功率测量仪器应在计量部门校验合格的有效期内，允许有二次校验源(仪器制造厂或标准试验室)进行校验。

2、电功率测量位置

电功率测量应在整流器与并网或储能系统之间。

电功率参数

按照数据采集的要求确定功率数据的采样长度，统计并记录采样长度内测量数据的平均值、标准差、最大值和最小值等电功率参数。

输出电功率

根据波浪能装备输出电压u(t)、电流i(t)测量结果，装备的瞬间发电功率由公式(8)计算：

式中：

P——发电机输出电功率，W；

u(t)——发电机直接输出的瞬时电压，V；

i(t)——发电机直接输出的瞬时电流，A；

t——累积时间，s。

电压、电流信号以离散量表示的电功率的表达式为：

其中：

Δt——采样间隔时间，s；

N——采样总次数；

u_k——某一瞬时电压的采样值，V；

i_k——某一瞬时电流的采样值，A。

测试后阶段

波浪能发电装备的功率特性

1、功率矩阵

使用功率矩阵表示波浪能发电装备的功率特性。

先建立波浪能发电装备的捕获长度矩阵，再通过捕获长度矩阵计算功率矩阵。由于捕获长度矩阵对海况参数的变化相对不敏感，受比恩法的影响较小，因此与直接计算功率矩阵相比，通过捕获长度矩阵计算功率矩阵更为可靠。

1.1功率矩阵的结构

采用比恩法建立波浪能发电装备的捕获长度矩阵和功率矩阵。采用有效波高和能量周期来定义功率矩阵单元，根据测试站点的实际波况确定功率矩阵中有效波高和能量周期的变化范围，进而确定有效波高和能量周期的增量。功率矩阵单元对应的有效波高最大增量应不超过0.5m，对应的能量周期最大增量应不超过1.0s。功率矩阵的大小至少为5X5。

1.2捕获长度的计算

捕获长度等于输出电功率P除以波浪功率密度J：

1.3捕获长度矩阵的计算

应至少记录捕获长度矩阵每个单元内的以下信息：

a)平均捕获长度；

b)捕获长度标准差；

c)最大捕获长度；

d)最小捕获长度；

e)数据的个数。

每个矩阵单元内捕获长度的平均值和标准差根据下列公式计算：

1.4功率矩阵的计算

功率矩阵由捕获长度矩阵每个单元内捕获长度的平均值与相应单元中心位置对应的波浪功率密度相乘来计算。

年发电量

年发电量是利用测量得到的功率矩阵结合一年内波浪能资源分布情况所计算出的波浪能发电装备一年内生产的全部电能，按照公式进行计算

式中：

Fi——功率矩阵中第i个单元对应的海况在一年内的发生概率，

A_v——可利用率，在测试周期内波浪能发电装备无故障正常工作时间与整个测试时间的比值，测试周期至少为30天，如条件允许，视海域情况在不同季节安排测试。

注：公式(13)给出的年发电量是根据实测功率矩阵进行的估算，即认为功率矩阵中空单元对应的波浪能发电装备输出电功率为零。

下面举例说明波浪能发电装备功率矩阵的生成实例。数据来源于单自由度垂荡运动的点吸收式波浪能发电装备的测试结果，使用比恩法对数据进行分组。

表1给出了波浪数据的统计结果和波浪能发电装备的性能数据。通过波浪测量仪器测得的波浪数据推导确定有效波高H_m0和能量周期T_e，计算对应的波浪功率密度J，并测量波浪能发电装备输出的电功率P，由式(10)计算得到捕获长度L。

表1采样数据

图1为测试期间不同有效波高和能量周期对应的波浪能发电装备输出电功率散点图。图中描绘了共计6180个测量数据点，需按照9.1的规定将此大型的数据集简化为标准的离散形式。图中有效波高的增量为0.5m，能量周期的增量为1.0s。利用测量的波浪能发电装备输出电功率和对应的波浪功率密度计算每个数据点的捕获长度，将其按照所划分的矩阵单元分组，并求解每个矩阵单元内捕获长度的平均值，进而计算功率矩阵。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种波浪能发电装备功率特性测试方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

(1)收集测试站点的历史数据，建立波浪模型，确定波浪仪布放位置；

(2)利用波浪测量仪测量波浪数据，计算有效波高、能量周期和波浪功率密度；

(3)根据实测数据计算功率矩阵和年发电量来描述波浪能发电装备的功率特性。

2.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装备功率特性测试方法，其特征在于：所述步骤(1)中搜集测试站点附近至少一年的波浪历史数据，建立波浪模型评估潮汐、海流和地形因素对波浪能资源空间分布的影响，初步确定波浪测量仪器的布放位置，将历史数据和补充数据作为波浪模型的输入和验证条件。

3.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装备功率特性测试方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用谱分析方法推导波浪参数，其中应至少计算有效波高、能量周期和波浪功率密度，

a)根据测量仪器和采样频率选择谱分析的频率范围；

b)n＝-1和n＝0时的谱矩由下式计算：

其中，m_n——方差谱的第n阶矩；

N——功率矩阵单元的数量；

S_i——频率分量i的谱密度，m²/Hz；

f_i——第i个波浪分量的频率；

c)谱估计的有效波高H_m0定义为：

d)能量周期T_e定义为：

e)波浪功率密度J定义为：

式中：

c_gi——第i个波浪分量的群速度，定义为：

c_pi——第i个波浪分量的相速度，定义为：

深水条件下

其中，ρ——海水密度，kg/m³；g——重力加速度，m/s²。

4.根据权利要求3所述的一种波浪能发电装备功率特性测试方法，其特征在于：所述步骤(3)中，根据波浪能装备输出电压u(t)、电流i(t)测量结果，装备的瞬间发电功率由公式(8)计算：

式中：

P——发电机输出电功率，W；

u(t)——发电机直接输出的瞬时电压，V；

i(t)——发电机直接输出的瞬时电流，A；

t——累积时间，s。

电压、电流信号以离散量表示的电功率的表达式为：

其中：

Δt——采样间隔时间，s；

N——采样总次数；

u_k——某一瞬时电压的采样值，V；

i_k——某一瞬时电流的采样值，A。

5.根据权利要求4所述的一种波浪能发电装备功率特性测试方法，其特征在于：所述步骤(3)中，使用功率矩阵表示波浪能发电装备的功率特性，先建立波浪能发电装备的捕获长度矩阵，再通过捕获长度矩阵计算功率矩阵；

采用比恩法建立波浪能发电装备的捕获长度矩阵和功率矩阵，采用有效波高和能量周期来定义功率矩阵单元，根据测试站点的实际波况确定功率矩阵中有效波高和能量周期的变化范围，进而确定有效波高和能量周期的增量。

6.根据权利要求5所述的一种波浪能发电装备功率特性测试方法，其特征在于：

捕获长度的计算，捕获长度等于输出电功率P除以波浪功率密度J：

捕获长度矩阵的计算

至少记录捕获长度矩阵每个单元内的以下信息：

平均捕获长度；捕获长度标准差；最大捕获长度；最小捕获长度；数据的个数；

每个矩阵单元内捕获长度的平均值和标准差根据下列公式计算：

功率矩阵的计算

功率矩阵由捕获长度矩阵每个单元内捕获长度的平均值与相应单元中心位置对应的波浪功率密度相乘来计算；

年发电量是利用测量得到的功率矩阵结合一年内波浪能资源分布情况所计算出的波浪能发电装备一年内生产的全部电能，按照公式进行计算

式中：

Fi——功率矩阵中第i个单元对应的海况在一年内的发生概率，

A_v——可利用率，在测试周期内波浪能发电装备无故障正常工作时间与整个测试时间的比值，测试周期至少为30天。

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