油气田风力发电系统一体化测试技术研究

王业开（中国石油天然气集团有限公司节能技术监测评价中心）

1 风力发电测试概述

1.1 油气田企业风力发电系统组成及工作原理

风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。常见的风力发电系统主要组成为：叶片、机舱、变速箱、制动器、发电机、偏航装置、变桨机构、塔架、风速计及风向标等，其一般基本组成结构如图1所示。图1所示系统各组成部分的功能如下：

1）叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600 kW风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20 m[1-2]。

2）机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴[3]。

3）变速箱：变速箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。

4）制动器：紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时[4-5]。

5）发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500～1 500 kW。

6）偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图1中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。

图1 风力发电系统组成结构示意图Fig.1 Combined structure of wind power generation system

7）变桨机构：通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率。变桨系统作为大型风电机组控制系统的核心部分之一，对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用[6]。

8）塔架：风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大，现代600 kW风机的塔高为40～60 m。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶，格状的塔的优点在于造价低[7-8]。

9）风速计及风向标：用于测量风速及风向。

10）控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员[9-10]。

1.2 风力发电系统能效评价指标

风力发电系统的能效评价指标主要包括5项：综合场用电率、变电站用电率、送出线损率、发电场用电率、功率系数。

1.3 测试项目和测点布置

1.3.1 测试项目

风力发电系统的现场记录和测试数据主要包含以下内容：测试日期、时间、地点和人员；风力发电机组的型号、生产厂家、出厂编号及出厂日期；风电场发电量，电压、电流、功率；风电场用网电量，电压、电流、功率；风电场上网电量，电压、电流、功率；风电场变电站用电量，电压、电流、功率；风电场出口处的电量，电压、电流、功率；距风力发电机组2～4 D（D为风力发电机组风轮直径）的风速、风向、气温、气压、相对湿度。

根据风力发电系统的5项评价指标的定义和计算方法，该系统涉及的基础参数和测试项目见3.2.1。

1.3.2 测点布置

风力发电站的测点布置如图2所示。各测点所测试的参数见表1。风力发电系统测试仪器（性能指标）汇总见表2。

图2 风力发电单元测点布置Fig.2 Unit measuring point of wind power generation

2 测试装置方案

2.1 测试装置组成

风力发电测试系统由被测系统和一体化测试装置两大部分构成。其中，一体化测试装置主要包括三个组成单元：数据采集、数据传输、数据处理，测试系统及一体化装置的结构示意图如图3所示。

2.2 数据采集单元

2.2.1 数据采集方式

测试装置所需测试的基础参数主要分为三大类：气象数据、电能数据、几何数据，各项基础参数主要通过相应的测试仪器（传感器等）实现信息的采集，同时利用仪表自身的存储功能或实时无线传输至服务器实现对所采集的基础数据进行实时读取、存储、计算等功能。

表1 各测点测试参数Tab.1 Test parameters at each test point

表2 风力发电系统测试仪器（性能指标）汇总Tab.2 Tester（performance metrics）summary table of wind power generation

2.2.2 测试仪器选型

1）气象数据测试仪器。风力发电系统气象数据测试（采集）仪器应符合GB/T 18451.2—2012的要求，各装置彼此之间应保持时间同步，时间偏差应小于10μs，所需测试的气象基础数据及相应测试仪器的选用要求见表3。

2）电能数据测试仪器。风力发电系统所需测试的电能基础数据及相应测试仪器的选用要求见表4。

2.3 数据传输单元

2.3.1 信号传输方式

数据传输单元主要实现被测系统前端测试数据与终端设备（计算机）最终接收到的测试数据之间的传输过程和功能。该测试过程采用的信号传输方式为ZigBee传输。测试仪器将测试数据通过无线方式传输到ZigBee远程数据采集中心。若测试仪器不具备无线远传功能，需配备无线中继控制器，实现测试数据的无线传输。ZigBee远程数据采集中心与终端设备（计算机）有线连接，进行数据的汇总、显示与处理，如图3所示。

表3 气象基础数据测试仪器选择标准Tab.3 Selection criteria of meteorological basic data test instruments

表4 电能基础数据测试仪器选择标准Tab.4 Selection criteria of electric basic data test instruments

2.3.2 信号传输设备选型

除了适用于该测试装置的信号传输设备配置基本要求见表5。

图3 风力发电系统一体化测试装置组成结构示意图Fig.3 Combined structure on integrated testing device of wind power generation system

2.4 数据处理单元

数据处理单元主要是对采集传输至终端设备（计算机）的测试数据进行分析处理，完成系统能效评价指标的分析计算过程，该过程主要通过服务器或工作站（计算机等）硬件与相应的分析软件相结合，实现系统各项能效评价指标的分析计算、数据及计算结果的存储等相关操作。

表5 信号传输设备配置基本要求Tab.5 Configuration requirements for signal transmission devices

2.4.1 便携式工业计算机

适用于该测试装置的便携式工业计算机配置基本要求见表6。

表6 便携式工业计算机配置基本要求Tab.6 Configuration requirements for portable industrial computer

2.4.2 能效分析评价软件

该软件为自主研发，与测试装置内部的工作站或计算机配套使用，可实现风力发电系统的基础测试数据的采集、存储、传输及处理，以及各项能效评价指标的分析计算与评价。

该软件主要包含4个功能模块，分别为：基础数据采集与存储、指标分析计算、系统能效评价、数据库维护。

3 能效评价指标测试与计算

3.1 测试准备、要求与测试方法

3.1.1 测试准备

风力发电系统的测试准备工作主要包括以下几项内容：

1）测试负责人应由有测试经验的专业人员担任，测试过程中测试人员不宜变动。应根据被测系统及测试现场的实际情况制定具体的测试方案，测试方案应包括且不限于以下资料：测试任务和要求；测试项目；测点布置与测试仪器；人员组织与分工；测试进度安排。

2）测试前后应检查所用仪器，测量仪器仪表应定期检定或校准且应具备法定计量部门出具的检定合格证。

3）应按测试方案安装测试仪器。

4）应全面检查机组、系统各部件的运行状况是否正常，是否具备测试条件。

5）正式测试前宜进行预备性测试，以全面检查仪器是否正常工作。

3.1.2 测试基本要求

风力发电系统的测试基本要求包括以下几项：在进行风力发电站效率的测试工作前，应搜集风力发电站基本信息；测试现场的人员安全要求应符合GB 26860的规定；测试应选择晴天少云的天气；测试周期应至少覆盖一个日历天；测试所用的仪器、仪表型式及准确度应符合2.2.2的要求。

3.1.3 测试方法

1）综合场用电率测试。综合场用电率的测试装置应包括电量风电场的总发电量、风电场用网电量、风电场上网电量采集3部分。采集装置应符合NB/T 31045—2013的规定，各装置彼此之间应保持时间同步，时间偏差应小于10μs。同步测试单位时间的风电场的总发电量、风电场用网电量、风电场上网电量。

2）风电场的站用电率。综合场用电率的测试装置应包括风电场的总发电量、风电场的站用电量2部分。采集装置应符合NB/T 31045—2013的规定，各装置彼此之间应保持时间同步，时间偏差应小于10μs。同步测试单位时间的风电场的总发电量、风电场的站用电量。

3）变电站用电率测试。综合场用电率的测试装置应包括风电场的总发电量、变电站用电量2部分。采集装置应符合NB/T 31045—2013的规定，各装置彼此之间应保持时间同步，时间偏差应小于10μs。同步测试单位时间的风电场的总发电量、变电站用电量。

4）功率系数。综合场用电率的测试装置应包括风电场的总发电量、变电站用电量2部分。采集装置应符合GB/T 18451.2—2021的规定，各装置彼此之间应保持时间同步，时间偏差应小于10μs。

测风装置应定位在距风力发电机组2 D～4 D（D为风力发电机组风轮直径），推荐使用2.5 D的距离。风速、风向等监控系统内需要检测的数据应该每10 min取一组数据，每一个数据点的采集周期不应超过10 s，至少采集5组数据作为测试报告的原始记录；同步测试单位时间的输出功率。

3.2 能效评价指标计算

3.2.1 参数符号和单位

根据该系统的能效评价指标及测试项目，能效评价指标测试计算过程中所涉及的参数符号和单位汇总见表7。

表7 风力发电系统参数汇总Tab.7 Parameter summary of wind power generation system

3.2.2 指标计算

1）综合场用电率。综合场用电率是测试统计周期内，风电场生产运行过程中所使用和损耗的全部电量占总发电量的百分比，计算公式为

2）变电站用电率。变电站用电率是测试统计周期间内风电场变电站用电量占风电场总发电量的百分比，计算公式为

3）送出线损率。送出线损率是测试统计周期内送出线损耗占风电场总发电量的百分比，计算公式为

4）发电场用电率。发电场用电率是测试统计周期内发电和输变电设备使用及消耗电量占风电场总发电量的百分比，计算公式为

Eg为风电场出口处的电量，从风电场升压变压器高压侧电能表读取，如上网关口电能表装设在风电场出口处，则Eg=Eout，在这种情况下Rs=0。

5）功率系数。功率系数是风力发电机组净功率输出与风轮扫掠面上从自由流得到的功率之比，计算公式为

4 结论

大庆油田油气资源富集，风能资源丰富，年有效风速持续时间长，年平均风速3.8 m/s，年大于6级风日数为30 d，80 m高度全年有效风速可利用小时数为2 200 h以上，适合建设风力发电站；油田拥有分布广阔的企业电网，用电设备分布较为分散，适合分散式风电的开发，具备新能源电力接入的有利条件；油田生产每年需要大量电力，用量大且稳定，具有一定的消纳能力。因此，大庆油田在“十四五”新能源发展规划中，充分利用油田自有土地的优势，重点以变电所为依托，部署了风力发电总装机容量320.1 MW。

油气田风力发电系统一体化测试技术的应用，可以对油气田用风力发电机组运行状态进行科学评价，实现系统能耗低、经济性好的目标，同时利于定性定量分析风力发电机组改造的节能效果。