潮流能發(fā)電機組功率特性測試研究

隨著越來越多海洋能發(fā)電裝置的研發(fā)和海試，對其運行狀況和發(fā)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(fā)電裝置測試場。而我國目前在潮流能發(fā)電裝置功率特性現(xiàn)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(fā)電機組功率特性的試驗方案，并結合國際電工委員會發(fā)布的《IEC/TS 62600-200:2013 Marine energy給出了一種潮流能發(fā)電機組功率特性的試驗方案。

潮流能發(fā)電機組的功率特性

潮流能發(fā)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(fā)電機組發(fā)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(fā)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(fā)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(chǎn)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(fā)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(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集進行，為了獲得更為準確的測試數(shù)據(jù)，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(wěn)定的期間采集數(shù)據(jù)，以提高測試數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(jù)國際海道測量組織（IHO）發(fā)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(huán)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(shù)據(jù)采集器、電學傳感器、水流傳感器組成，并通過時鐘同步，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的同步采集。

（1）功率測量系統(tǒng)

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(xiàn)。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(tài)測量系統(tǒng)

TEC來流參數(shù)的采集，一般使用聲學流速計實現(xiàn)，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(fā)射聲波，水中的散射體使聲波產(chǎn)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(xù)時間序列下的來流速度和方向數(shù)據(jù)。

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(xù)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(shù)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(shù)據(jù)采樣頻率可達1Hz或更高；

● 數(shù)據(jù)記錄需保留時間戳；

● 可采集記錄連續(xù)時間序列下的潮汐俯仰和翻滾廓線。

采集的測量數(shù)據(jù)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(qū)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(shù)據(jù)的任何可用信息，如：

圖2 順次放置俯視示意圖

● 特定流場數(shù)據(jù)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(shù)和波束角度。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于收集測量數(shù)據(jù)并存儲與處理數(shù)據(jù)，每個通道的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，測量程序應確保這些數(shù)據(jù)有足夠的數(shù)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(tǒng)的布置位置，應能夠采集到TEC的準確運行數(shù)據(jù)。功率測試系統(tǒng)應安裝在TEC和電網(wǎng)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(wǎng)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(guī)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(shù)據(jù)量至少應涵蓋一個大小潮周期，同時，參與統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)應只使用正常運行工況下的采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)應該以1Hz或更高的采樣頻率連續(xù)采集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應儲存采樣數(shù)據(jù)，或數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值（包含：平均值、標準偏差、最大值、最小值），其中，統(tǒng)計值所選數(shù)據(jù)組應基于10min的連續(xù)測量數(shù)據(jù)。

另外，為了確定所測量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫的基本要求。

應針對漲潮作業(yè)期和退潮作業(yè)期分別建立數(shù)據(jù)庫，所選數(shù)據(jù)組采用區(qū)間法存儲，所選數(shù)據(jù)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?shù)亓鲌鲎畲罅魉俚?0%，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(shù)倍的流速為中心，左右各0.025m/s的連續(xù)區(qū)間。

無論對漲潮期數(shù)據(jù)庫還是退潮期數(shù)據(jù)庫，當滿足下列條件時，數(shù)據(jù)庫才認為是完整的：

● 每一個流速區(qū)間至少包含30min的采樣數(shù)據(jù)；

● 數(shù)據(jù)庫包含至少180h的采樣數(shù)據(jù)。

（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(yè)期和退潮作業(yè)期，建立兩條功率曲線。為了在統(tǒng)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(shù)據(jù)處理方法。通常，結果的導出需要經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選、測量功率曲線的確定和不確定度分析幾個步驟。

①數(shù)據(jù)篩選

應確保只有在機組正常運行下采集的數(shù)據(jù)用于分析，且數(shù)據(jù)沒有被破壞，下列情況下的數(shù)據(jù)組應從數(shù)據(jù)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(wǎng)限功率。

②測量功率曲線的確定

測量功率曲線是對經(jīng)篩選后的漲潮/退潮期的數(shù)據(jù)組用區(qū)間法確定的，即用0.05m/s的區(qū)間，依據(jù)公式對每一流速區(qū)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(shù)據(jù)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(jīng)葉輪掃掠區(qū)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(qū)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(jù)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(qū)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(shù)，并通過靈敏系數(shù)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(shù)的標準不確定度后，即可對各區(qū)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(tài)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(fā)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(tǒng)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(fā)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(shù)據(jù)后，經(jīng)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(fā)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(fā)電機組的海試工作，完善潮流能發(fā)電機組的性能評價體系提供了依據(jù)和參考，具有一定的指導意義。