內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 ■ 包道日娜 姚明

0 引言

根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)風(fēng)能設(shè)備分會(huì)對(duì)行業(yè)內(nèi)22 家主要生產(chǎn)制造企業(yè)上報(bào)的統(tǒng)計(jì)資料顯示，2013 年這22家中小型風(fēng)電企業(yè)全年總生產(chǎn)量7.79 萬(wàn)臺(tái)，總銷(xiāo)售量達(dá)到7.19 萬(wàn)臺(tái)，總產(chǎn)值8.79 億元，總銷(xiāo)售額8億元，生產(chǎn)機(jī)組容量6.72萬(wàn)kW，銷(xiāo)售機(jī)組容量6.1 萬(wàn)kW，利稅總額1.96億元。其中有15 家企業(yè)上報(bào)的出口量1.97 萬(wàn)臺(tái)，出口機(jī)組容量2.75 萬(wàn)kW，出口額4100 多萬(wàn)美元；另有3家永磁發(fā)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)永磁發(fā)電機(jī)約9500 kW，銷(xiāo)售額達(dá)到2000 多萬(wàn)元。2013年全國(guó)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出口到全球6大洲113個(gè)國(guó)家或地區(qū)，出口數(shù)量約13400多臺(tái)，出口額達(dá)到2395萬(wàn)美元，平均每臺(tái)1700多美元，比2012 年的出口額減少9.5%[1]。

隨著國(guó)內(nèi)中小型風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的不斷發(fā)展，中小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)廠商持續(xù)增加，其產(chǎn)品大量涌入市場(chǎng)。在目前市場(chǎng)還不成熟、行業(yè)還不規(guī)范的情況下產(chǎn)生了諸多問(wèn)題，如產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、各生產(chǎn)廠商大打價(jià)格戰(zhàn)等。因此造成了市場(chǎng)混亂，損害了消費(fèi)者利益，也不利于整個(gè)行業(yè)的良性發(fā)展。在此背景下，建立各方都認(rèn)可的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是非常必要的。目前，國(guó)際上已有專(zhuān)門(mén)適用于中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，如：國(guó)際IEC 61400系列標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)《AWEA9.1小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能與安全標(biāo)準(zhǔn)》[2]、英國(guó)《BWEA小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能與安全標(biāo)準(zhǔn)》[3]等。

1 測(cè)試的主要內(nèi)容

測(cè)試主要有3個(gè)方面：功率性能測(cè)試、噪聲測(cè)試和耐久性測(cè)試。主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)分別為IEC 61400-12-1《功率性能測(cè)試》、IEC 61400-11∶2006《噪聲測(cè)試》、IEC 61400-2《小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求》、《AWEA9.1小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能與安全標(biāo)準(zhǔn)》和《BWEA小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能與安全標(biāo)準(zhǔn)》。AWEA和BWEA標(biāo)準(zhǔn)分別涵蓋了3項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容，均是在IEC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，要求基本相同只有微小區(qū)別。IEC 61400-2的第9部分對(duì)小型風(fēng)力機(jī)的耐久性測(cè)試提出了要求。

1.1 功率性能測(cè)試

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性由功率曲線(xiàn)和年發(fā)電量(AEP)決定。功率曲線(xiàn)由同步測(cè)量的風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率決定。年發(fā)電量是利用測(cè)試功率曲線(xiàn)和參考風(fēng)速的頻率分布計(jì)算得出。功率性能測(cè)試的主要目的是：1)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行分類(lèi)；2)用于預(yù)測(cè)發(fā)電量；3)不同風(fēng)機(jī)機(jī)組之間的比較；4)根據(jù)場(chǎng)地情況和發(fā)電量對(duì)測(cè)試機(jī)組進(jìn)行功率性能的優(yōu)化。

IEC 61400-12-1《功率性能測(cè)試》[4]對(duì)測(cè)試場(chǎng)地、測(cè)試設(shè)備、測(cè)量程序、數(shù)據(jù)處理都做了明確規(guī)定。

1.1.1 測(cè)試場(chǎng)地評(píng)估

測(cè)試場(chǎng)地的評(píng)估是為了選取合適的測(cè)試扇區(qū)來(lái)安裝測(cè)風(fēng)塔，使測(cè)得的風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)輸出功率有較好的相關(guān)性。測(cè)試前，需要對(duì)測(cè)試場(chǎng)地可能引起氣流畸變的因素進(jìn)行評(píng)估，以便選擇測(cè)風(fēng)塔的安裝位置，確定合適的測(cè)試扇區(qū)。如果場(chǎng)地地形會(huì)造成氣流畸變，就需評(píng)估適當(dāng)?shù)臍饬骰冃拚禂?shù)，確定其引起的不確定度。引起氣流畸變的因素可能有：不同地形的變化、被測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組之外的其他機(jī)組、障礙物(建筑物，樹(shù)林)等。

1.1.2 測(cè)量設(shè)備的要求

功率性能測(cè)試用到的設(shè)備主要有：功率變送器、電壓互感器、電流互感器、風(fēng)速計(jì)、風(fēng)向標(biāo)、溫度傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

功率變送器的準(zhǔn)確度需要滿(mǎn)足IEC 60688的要求，級(jí)別為0.5級(jí)以上。電流互感器級(jí)別滿(mǎn)足IEC 60044-1的要求，電壓互感器級(jí)別滿(mǎn)足IEC 60044-2的要求，這兩種互感器的準(zhǔn)確度為0.5級(jí)以上。風(fēng)速的測(cè)量使用風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)，級(jí)別至少為1.7 A。主風(fēng)速計(jì)安裝在測(cè)風(fēng)塔頂端接近風(fēng)機(jī)輪轂高度處，其下方橫桿上安裝次級(jí)風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)。溫度與壓力傳感器安裝在與輪轂高度差10 m的范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集并存儲(chǔ)功率及各項(xiàng)氣象數(shù)據(jù)，每個(gè)通道的采樣速率至少為1 Hz。

1.1.3 測(cè)量程序

按標(biāo)準(zhǔn)中具體要求安裝測(cè)試設(shè)備。測(cè)風(fēng)塔安裝在測(cè)試扇區(qū)內(nèi)，距離風(fēng)機(jī)2D～4D之間(D為風(fēng)輪直徑)。測(cè)量功率是指風(fēng)機(jī)的凈功率，不包括風(fēng)機(jī)的自身?yè)p耗，所以測(cè)試過(guò)程中應(yīng)選擇正確位置安裝電流與電壓互感器。功率、風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)應(yīng)以1 Hz或更高的采樣頻率連續(xù)采集，氣溫、氣壓及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)可用較低采樣頻率采集，但至少每分鐘1次。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，所選數(shù)據(jù)組應(yīng)基于10 min的連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)試期間數(shù)據(jù)應(yīng)周期性檢查以保證測(cè)試結(jié)果的高質(zhì)量和可重復(fù)性。

1.1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行氣流畸變修正和標(biāo)準(zhǔn)化到參考空氣密度下?？諝饷芏雀鶕?jù)式(1)由氣溫和氣壓測(cè)量得出：

式中，ρ10min為得到的空氣密度10 min平均值；T10min為測(cè)得的絕對(duì)氣溫10 min平均值；B10min為測(cè)得的氣壓10 min平均值；R0為干燥空氣的氣體常數(shù) 287.05 J/(kg·K)。

對(duì)定槳距、定轉(zhuǎn)速的失速調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，根據(jù)式(2)對(duì)輸出功率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

式中，Pn為標(biāo)準(zhǔn)化的輸出功率；P10min為測(cè)量功率10 min平均值；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度。

對(duì)變槳距的主動(dòng)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)式(3)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

式中，Vn為標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)速；V10min為測(cè)量風(fēng)速10 min平均值。

功率曲線(xiàn)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)組用“區(qū)間法”確定，即用0.5 m/s的區(qū)間(每個(gè)風(fēng)速區(qū)間應(yīng)至少有30 min的采樣數(shù)據(jù)，所有風(fēng)速區(qū)間內(nèi)總共應(yīng)至少有180 h的采樣數(shù)據(jù))，根據(jù)式(4)和式(5)對(duì)每一風(fēng)速區(qū)間計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后的風(fēng)速平均值和標(biāo)準(zhǔn)化后的輸出功率平均值，即：

式中：Vi為第i個(gè)區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化的平均風(fēng)速；Vn，i，j為第i個(gè)區(qū)間數(shù)組j標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)速；Pi為第i個(gè)區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化的平均輸出功率；Pn，i，j為第i個(gè)區(qū)間數(shù)組j標(biāo)準(zhǔn)化的輸出功率；Ni為第i個(gè)區(qū)間內(nèi)10 min數(shù)據(jù)的數(shù)目。

年發(fā)電量是對(duì)不同參考風(fēng)速的頻率分布應(yīng)用功率曲線(xiàn)進(jìn)行估算得到的，用于與形狀參數(shù)為2的威布爾分布完全相同的瑞利分布作為參考風(fēng)速的頻率分布。當(dāng)輪轂高度年平均風(fēng)速分別為4 ～11 m/s(取整數(shù))時(shí)，根據(jù)式(6)估算年發(fā)電量：

式中，Nh為1年中的小時(shí)數(shù)，約為8760 h；N為區(qū)間個(gè)數(shù)。

式中，F(xiàn)(V)為風(fēng)速的瑞利積累概率分布函數(shù)；Vave為輪轂高度的年平均風(fēng)速；V為風(fēng)速。

求和初始化設(shè)置Vi-1=Vi–0.5 m/s，Pi-1=0.0 kW。1.1.5 不同標(biāo)準(zhǔn)在功率測(cè)試上的差別

1)標(biāo)準(zhǔn)中相同概念的不同定義方法。IEC對(duì)額定功率的定義為：正常工作條件下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組達(dá)到的最大連續(xù)輸出功率；AWEA和BWEA對(duì)額定功率的定義為：功率曲線(xiàn)上風(fēng)速為11 m/s時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率。

IEC對(duì)年發(fā)電量的定義：利用功率曲線(xiàn)和輪轂高處不同風(fēng)速頻率分布計(jì)算得到的1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)1年時(shí)間所產(chǎn)生的全部電能；AWEA和BWEA對(duì)年發(fā)電量的定義：按照年平均風(fēng)速為5 m/s計(jì)算得到1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)1年時(shí)間所產(chǎn)生的全部電能。

2)不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于功率測(cè)試的額外要求，見(jiàn)表1。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率測(cè)試的要求

1.2 噪聲測(cè)試

噪聲測(cè)試的目的是為了獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的噪聲發(fā)射特性，得到不同距離下風(fēng)力機(jī)發(fā)出噪聲的大小。IEC 61400-11《噪聲測(cè)試》[5]中提供的方法可測(cè)量單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從6 ～10 m/s整數(shù)風(fēng)速時(shí)的視在A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)、頻譜和音值。標(biāo)準(zhǔn)給出的測(cè)量程序在某些方面與城市噪聲研究中所采用的程序不同，考慮到風(fēng)速和風(fēng)向變化很大，前者更傾向于使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組噪聲描述更加簡(jiǎn)便，測(cè)量步驟的標(biāo)準(zhǔn)化也便于不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組之間的比較。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)測(cè)試設(shè)備、測(cè)量程序、數(shù)據(jù)處理都有明確規(guī)定。

1.2.1 測(cè)試設(shè)備

噪聲測(cè)試中除了用到氣象測(cè)量?jī)x器外，還會(huì)用到測(cè)聲儀器。氣象測(cè)量?jī)x器可參考功率測(cè)試中的描述。測(cè)聲儀器主要有聲級(jí)計(jì)、1/3倍頻程帶頻譜測(cè)試儀、窄帶頻譜測(cè)試儀。聲級(jí)計(jì)要滿(mǎn)足IEC 60804∶2000中1類(lèi)聲級(jí)計(jì)的要求；1/3倍頻程帶頻譜測(cè)試儀至少要有45～11200 Hz的頻率范圍；窄帶頻譜測(cè)試儀要滿(mǎn)足IEC 60651∶1979中1類(lèi)儀器頻率范圍20～11200 Hz的相關(guān)要求。

1.2.2 測(cè)量程序

傳聲器放在置于地面的平板(平板用直徑為1 m的金屬材料制成)上，用來(lái)采集噪聲數(shù)據(jù)。傳聲器的位置到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的距離為R0，R0=H+D/2(H為輪轂中心到地面的高度，D為風(fēng)輪直徑)。氣象數(shù)據(jù)與聲音同時(shí)測(cè)量與采集，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)時(shí)，在相似風(fēng)況下立刻測(cè)量背景噪聲。在測(cè)量背景噪聲時(shí)，要盡量做到背景聲音的測(cè)量能代表風(fēng)力發(fā)電機(jī)噪聲輻射測(cè)量期間發(fā)生的背景噪聲。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

測(cè)量風(fēng)速需轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)高度10 m和基準(zhǔn)粗糙程度0.05 m相應(yīng)條件下的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速Vs。

式中，z0ref為基準(zhǔn)粗糙長(zhǎng)度，0.05 m；z0為粗糙長(zhǎng)度；zref為基準(zhǔn)高度，10 m；z為風(fēng)速儀高度。

測(cè)量聲壓級(jí)要進(jìn)行背景噪聲的修正，當(dāng)平均背景噪聲聲壓級(jí)比風(fēng)力發(fā)電機(jī)和背景噪聲的合成聲壓級(jí)低6 dB或更多時(shí)，修正值由式(9)確定：

式中，Ls為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中自身的等效連續(xù)聲壓級(jí)；Ls+n為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與背景合成噪聲等效連續(xù)聲壓級(jí)；Ln為背景等效連續(xù)聲壓級(jí)。

如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組加背景噪聲的等效連續(xù)聲壓級(jí)Ls+n比背景噪聲高出值小于6 dB但大于3 dB，則Ls+n的值通過(guò)減去1.3 dB進(jìn)行修正，且此數(shù)據(jù)需用“*”標(biāo)記；這些數(shù)據(jù)不能用于確定視在聲功率級(jí)。如果這個(gè)差值小于3 dB，就不用記錄這些數(shù)據(jù)，只需記錄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組噪聲小于背景噪聲。

整數(shù)風(fēng)速的視在聲功率級(jí)LWA，k由背景修正聲壓級(jí)LAeq，c，k計(jì)算得出：

式中，LAeq，c，k為基準(zhǔn)條件下整數(shù)風(fēng)速的背景修正的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)；R1為風(fēng)輪中心到傳聲器的傾斜距離；S0為基準(zhǔn)面積，S0=1 m2。

1.2.4 不同標(biāo)準(zhǔn)在噪聲測(cè)試上的差別

3種標(biāo)準(zhǔn)在采集數(shù)據(jù)的數(shù)量、測(cè)試內(nèi)容和報(bào)告內(nèi)容上有一定差別，見(jiàn)表2。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)噪聲測(cè)試的要求

除此之外，AWEA標(biāo)準(zhǔn)在報(bào)告內(nèi)容上增加了額定聲壓級(jí)、背景噪聲級(jí)、距離風(fēng)輪中心不同位置聲壓級(jí)的關(guān)系曲線(xiàn)圖；BWEA引入了噪聲地圖這一概念，用一張圖形象地反映了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組噪聲發(fā)射特性，有助于用戶(hù)根據(jù)不同噪聲發(fā)射特性的機(jī)組選擇合適的安裝位置。

1.3 耐久性測(cè)試

耐久性測(cè)試的目的是為了驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組合理的使用壽命。IEC 61400-2《小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求》[4]對(duì)耐久性測(cè)試的要求主要有：

1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組至少穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)月，在穩(wěn)定運(yùn)行期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大部件沒(méi)有損壞或更換，且輸出功率沒(méi)有明顯下降；

2)在不同的風(fēng)速情況下，至少發(fā)電2500 h；

3)在大于等于1.2倍設(shè)計(jì)風(fēng)速情況下至少發(fā)電250 h；在大于等于1.8倍設(shè)計(jì)風(fēng)速情況下至少發(fā)電25 h；在大于等于2.2倍設(shè)計(jì)風(fēng)速情況下至少發(fā)電2.5 h。

AWEA和BWEA在耐久性測(cè)試部分基本與IEC標(biāo)準(zhǔn)保持一致，增加了在15 m/s以上風(fēng)速下至少發(fā)電25 h這一規(guī)定。

2 結(jié)語(yǔ)

以上介紹了IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測(cè)試的主要內(nèi)容，選取了兩個(gè)具有代表性的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與之對(duì)比，分別是美國(guó)的《AWEA小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能與安全標(biāo)準(zhǔn)》和英國(guó)的《BWEA小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能與安全標(biāo)準(zhǔn)》。兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都參考了IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，只稍有簡(jiǎn)化和改動(dòng)，在報(bào)告形式上更加友好，方便消費(fèi)者使用。

我國(guó)中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有些已經(jīng)頒布實(shí)施，有些正在起草。其中：GB/T 17646-2013《小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求》和GB/T 29494-2013《小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》(與中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)共通標(biāo)準(zhǔn))已經(jīng)于2013年10月1日正式頒布實(shí)施。由農(nóng)業(yè)部提出、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)主持和15 家企業(yè)共同參與的《小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行和安全規(guī)范》農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草中。GB/T 17646-2013《小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 設(shè)計(jì)要求》等同采用IEC 61400-11∶2006 ed-2.1版本，目前已經(jīng)頒布了IEC 61400-11∶2013 ed-3.0版本，我國(guó)在這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的更新進(jìn)度上相對(duì)滯后。臺(tái)灣對(duì)垂直軸小風(fēng)機(jī)發(fā)展具有領(lǐng)先國(guó)際的優(yōu)勢(shì)，兩岸合作制定頒布的GB/T 29494-2013《小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》可增加我國(guó)小型垂直軸風(fēng)力機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)上的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]祁和生，姚修偉，李德孚.2013年中小型風(fēng)能行業(yè)發(fā)展形勢(shì)報(bào)告[J].中小型風(fēng)能設(shè)備與應(yīng)用， 2014， (1)∶ 15－21.

[2]AWEA 9.1， Small Wind Turbine Performance and Safety Standard[S].

[3]BWEA， Small Wind Turbine Performance and Safety Standard ed-2[S].

[4]IEC 61400-12-1， Power performance measurement of electricity producing wind turbines ed-1[S].

[5]IEC 61400-11， Acoustic noise measurement techniques ed-2.1 [S].

[6]IEC 61400-2， Design requirements for small wind turbines ed-2[S].