風力發電機組能效測試裝置的研究

曲照濤 （大慶油田有限責任公司技術監督中心）

風力發電機組監測通常使用遙感裝置監測設備。遙感裝置是指無人駕駛的飛行器，通過無線電遙控裝置以及控制程序就可以進行操作。遙感裝置主要分為以下幾種：多旋翼飛行器、固定翼飛行器、垂直起降飛行器等。遙感裝置主要由飛行載具、飛行控制系統、地面控制系統等構成。測試人員在地面控制遙感裝置就能執行風力發電機組的測試任務，將相關氣象及測試數據傳輸到地面裝置進行存儲。飛行控制系統是遙感裝置的大腦，通過GPS 輔助遙感裝置的平衡、失控返航系統[1]。

1 風力發電系統現狀分析

隨著近年來新能源產業的蓬勃發展，我國風機產業已達到國際先進水平。目前已建成全球最大的風電裝備生產基地，產量占全球2/3 以上，建成了涵蓋風電開發建設、設備制造、技術研發、檢測認證、配套服務的成熟產業鏈。隨著風電技術水平不斷提高，掌握了關鍵核心技術，并且在適合低風速風況和惡劣環境風電機組開發方面取得突破性進展，在大容量機組開發上實現與世界同步。風機產品國產化程度達到90%以上，18 MW 海上風機、雙轉子漂浮式海上風電平臺、陸上雙風輪風電機組等一系列新產品研發成功，在顯著提高風能利用效率的同時，也反映出我國風機產業正處于科技創新高度活躍的快速發展期[2-4]。

某油田嚴格執行國家生態環境保護法律法規和集團公司各項要求，積極踐行綠色低碳發展戰略，深入打好污染防治攻堅戰，以綠色企業創建為著力點，不斷提升油田清潔生產、綠色發展水平，“十四五”末將實現新能源裝機規模200×104kW 以上、清潔能源替代率達20%以上。目前，已建設風力發電系統裝機規模為30×104kW，預計年累計發電量9.357 × 108kWh， 年清潔能源利用量2.054×104tce，年減少CO2排放量70.59×104t。

2 風力發電機組的測試方法

2.1 測風裝置的位置

測風裝置安裝時，不應距風力發電機組太近，否則在風力發電機組前面的風速會受影響。而且它也不應距風力發電機組太遠，否則風速和輸出功率之間的相關性將減小。測風裝置應定位在距風力發電機組2D～4D （D 為風力發電機組風輪直徑），推薦使用2.5D 的距離。

測風裝置的最佳位置是位于風力發電機組的上風向， 測試過程中大部分有效風都來自這個方向。當風力發電機組安裝在山脊上時，測風裝置宜安置在風力發電機組旁邊。

2.2 測量扇區

測量扇區的選擇，應排除有明顯障礙物和其他風力發電機組方向的影響。采用相關程序排除所有受鄰近的風力發電機組和障礙物的尾流影響的扇區。測風裝置距離要求及允許的最大測量扇區示意圖見圖1，給出了測風裝置與被測風力發電機組距離分別是2D 、 2.5D 和4D 時，測風裝置受到被測風力發電機組尾流影響而排除的擾動扇區，減小測量扇區的原因可能是特殊的地形情況，或者在有復雜構造物的方向上獲取了不合適的測量數據。

圖1 測風裝置距離要求及允許的最大測量扇區示意圖Fig.1 Distance requirements and maximum allowable measurement sector for wind measuring devices

2.3 數據采集及儀器準確度要求

風向、氣壓、濕度等氣象參數采集時，需要在測量扇區內平均分布5 個區域，每個區域內的檢測應該10 min 取一組數據，每一個數據點的采集周期不應超過10 s。遙感裝置工作位置示意圖見圖2。

圖2 遙感裝置工作位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of remote sensing device operation

風輪等效風速測量應包含測量輪轂高度以上的風速。為了使基于測量的風切變校正可用，至少需要風輪掃掠面積范圍內的三個高度的風速測量。為了使風速的不確定度盡可能的減少，建議盡可能多的測量不同高度風速。測量高度應對稱的分布在輪轂中心垂直方向的兩側[5]。

測試所用的風速計、溫度計、氣壓計的準確度（等級）分別為±0.1 m/s、±1 ℃、±1 Pa。

3 遙感裝置的優勢

1）技術先進，機動靈活。遙感裝置作為新興的測試平臺，不僅價格低廉，還可以搭載各種靈敏傳感器，而且還能自由的在指定的空間內進行氣象參數的測試，針對單臺風力發電機組進行運行情況檢測時也無需暫停其他在運行的風力發電機組。風電場站內的測風塔不僅不能移動，而且造價昂貴；安裝各種氣象傳感器的位置受測風塔高度限制，存在安全風險；同時只能測試預設高度內的氣象數據不能自由的從各個高度采取氣象數據。當對風力發電場中的單臺風力發電機組進行運行情況檢測時需要暫停其他風力發電機組的運行，來保證風切變參數的準確性，浪費大量的人力、時間且影響發電效率。

2）日常維修保養成本低。隨著近年來科技的不斷進步與發展，遙感裝置技術在軍事、農業、環境等多領域被頻繁的使用，迅速發展了一批高質量的遙感裝置及遙感裝置相關配件的生產廠商，在市場激烈競爭的情況下，導致遙感裝置的電動機、電池、地面設備等相關配件在日常維修與保養的費用越來越低，遙感裝置的總體價格也越來越便宜[6-7]。

3）審批手續簡單。中國民用航空局在2016 年9 月21 日公布的《民用無人駕駛航空器系統空中交通管理辦法》中要求，對于在視距內飛行，且天氣條件不影響持續可見無人駕駛航空器；民用無人駕駛航空器最大起飛重量小于或等于7 kg；不得對飛行活動以外的其他方面造成影響，包括地面人員和設施等，符合環境安全和社會治安等相關要求。只需要在無人駕駛航空器機身上標注型號、編號、以及聯系方式等相關信息就可以操作遙感裝置了，而且也不需要安裝電子圍欄，只需要提前了解測試現場是否有中國民用航空局規定的禁飛區即可。

4 遙感裝置的缺點及改進建議

雖然使用遙感裝置技術測試風力發電機組有很多的優點，但是在實際操作過程中遙感裝置技術也存在很多的問題和不足。

1） 遙感裝置電池續航能力差。按照標準要求，每臺風力發電機組測試為保證測試氣象數據的準確性，氣象數據的采集不得低于1 h，經過大量的現場測試發現，新買的遙感裝置勉強可以達到測試時間的要求，但隨著使用次數的增加，電池的續航能力越來越差，日常工作中，每次執行測試風力發電機組均為3 臺以上，并且現場不一定具備給遙感裝置電池充電的條件，現場只能準備多個遙感裝置電池來滿足測試要求，這樣無形增加了測試時長和測試成本。所以現有的電池技術不能滿足日常的測試需求。針對上述情況，在遙感裝置的機身上安裝微型的太陽能板，可以對在執行測試過程中遙感裝置的電池進行時時充電，有效解決了延長測試時間。

2）遙感裝置傳感器易損壞。由于利用遙感裝置技術進行風力發電機組的運行狀態測試，時間短，現場測試人員在遙感裝置的功能選定上沒有經驗，最初選擇了只能測風速的遙感裝置系統，后期在遙感裝置的機身上單獨配置了溫度、氣壓、濕度等傳感模塊，由于這些模塊精度較高，且儀器使用的環境要求不統一，在日常的測試過程中有些環境超過了儀器正常使用的環境范圍，導致所安裝的傳感器極容易損壞。通過測試經驗的增加和遙感裝置在數字化、網絡化領域的進步和發展，測試人員發現國內已經有專業的廠商開始制造遙感裝置專用的氣象數據采集系統，該系統由溫度數據采集、濕度數據采集、風速數據采集等一系列微小模塊組成，這些模塊精度高，并且準確符合測試要求。由于是集成型系統，各個微小模塊的工作條件保持統一，而且各參數模塊集成后，數據傳輸更加準確、及時，地面操作也得到了相應的簡化，同時模塊化集成氣象數據采集系統大大降低了遙感裝置整體質量，延長了遙感裝置電池工作時長[8]。

3） 遙感裝置在GPS 信號弱時易發生錯誤操作。在測試人員日常測試過程中發現，有一些特殊環境和地形利用遙感裝置測試技術并不能滿足測試要求。飛行控制系統就是遙感裝置的大腦，他主要是通過GPS 反饋信號來執行遙感裝置載具的自動平衡以及遙感裝置載具失去控制時可以自動返航。測試人員經過和遙感裝置設計人員的反復討論關于GPS 信號弱的相關問題，最終設計人員確定可以取消已經購買的遙感裝置GPS 信號反饋系統，改裝為國產的北斗高精定位信號反饋系統。應用北斗系統后，遙感裝置將具備北斗系統空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，抗遮擋能力強，尤其低緯度地區性能特點更為明顯；北斗系統創新融合了導航與通信能力，具有實時導航、快速定位、精準授時、位置報告和短信通信服務五大功能[9]。

4）遙感裝置應用環境受限?？紤]到目前各種測試技術相對于不同復雜程度的地形存在的限制，總結了各種風速測量配置。遙感裝置測試系統應用的前提是水平氣流均勻的通過掃描體，該技術限制了遙感裝置只能應用在非復雜地形條件下的風力發電機組的測試工作。風速測量配置情況見表1。

表1 風速測量配置情況Tab.1 Wind speed measurement configuration

測試人員通過對相關氣象儀器的深入研究，發現利用雷達測量氣象參數技術可以有效彌補遙感裝置在復雜條件下的測試要求，雷達測量氣象參數技術可以在短時間內評估多個地方，能測到測風塔更難測量的位置和高度，可短時間和測風塔進行對比觀測，評估測風塔運行狀態，能夠快速安裝部署，不需要復雜的計劃和基礎施工，可以測量3D 矢量風，實時采集記錄12 個高度的數據。具有便攜性、靈活性、時效性、安裝快速和測量數據范圍廣等優點。但存在缺點：受大霧等天氣影響，數據質量下降，無太陽時儲蓄電瓶無法長時間供電，而且成本較高，不適宜長期觀測，易損壞[10]。

5 結論

風力發電機組運行時極易存在低負荷、低效運行狀態及管理不到位現象，浪費了能源也增加了運行成本。該裝置研究填補了油田風力發電機組能效測試的空白，可以對油氣田風力發電機組運行狀態進行科學評價，同時能定性定量分析風力發電機組改造的節能效果。綜上所述新型遙感測試裝置較測風塔和普通遙感裝置比較，能有效的縮短測試時間約15%，提高測試工作效率約20%。利用新型遙感設備測試風力發電機組的測試技術還有很大的改進空間，但隨著新能源在國內與國際上發展越來越迅速，對于風力發電系統的穩定性及可靠性要求也越來越嚴格，通過新型遙感設備對風力發電場的監測，能快速、準確、有效的對風力發電場內的每臺風力發電機組運行狀態進行監測，保證風力發電系統能夠有效、平穩、安全的運行。