小型风力机测试标准综述

内蒙古工业大学能源与动力工程学院 ■ 包道日娜 姚明

0 引言

根据中国农业机械工业协会风能设备分会对行业内22 家主要生产制造企业上报的统计资料显示，2013 年这22家中小型风电企业全年总生产量7.79 万台，总销售量达到7.19 万台，总产值8.79 亿元，总销售额8亿元，生产机组容量6.72万kW，销售机组容量6.1 万kW，利税总额1.96亿元。其中有15 家企业上报的出口量1.97 万台，出口机组容量2.75 万kW，出口额4100 多万美元；另有3家永磁发电机生产企业产销永磁发电机约9500 kW，销售额达到2000 多万元。2013年全国中小型风力发电机组出口到全球6大洲113个国家或地区，出口数量约13400多台，出口额达到2395万美元，平均每台1700多美元，比2012 年的出口额减少9.5%[1]。

随着国内中小型风力发电行业的不断发展，中小型风力发电设备生产厂商持续增加，其产品大量涌入市场。在目前市场还不成熟、行业还不规范的情况下产生了诸多问题，如产品质量参差不齐、各生产厂商大打价格战等。因此造成了市场混乱，损害了消费者利益，也不利于整个行业的良性发展。在此背景下，建立各方都认可的行业标准规范是非常必要的。目前，国际上已有专门适用于中小型风力发电机整机性能测试的标准，如：国际IEC 61400系列标准、美国《AWEA9.1小型风力发电机组性能与安全标准》[2]、英国《BWEA小型风力发电机组性能与安全标准》[3]等。

1 测试的主要内容

测试主要有3个方面：功率性能测试、噪声测试和耐久性测试。主要依据的标准分别为IEC 61400-12-1《功率性能测试》、IEC 61400-11∶2006《噪声测试》、IEC 61400-2《小型风力发电机组设计要求》、《AWEA9.1小型风力发电机组性能与安全标准》和《BWEA小型风力发电机组性能与安全标准》。AWEA和BWEA标准分别涵盖了3项测试内容，均是在IEC标准的基础上进行修改，要求基本相同只有微小区别。IEC 61400-2的第9部分对小型风力机的耐久性测试提出了要求。

1.1 功率性能测试

风力发电机组功率特性由功率曲线和年发电量(AEP)决定。功率曲线由同步测量的风速和风力发电机组输出功率决定。年发电量是利用测试功率曲线和参考风速的频率分布计算得出。功率性能测试的主要目的是：1)对风力发电机组进行分类；2)用于预测发电量；3)不同风机机组之间的比较；4)根据场地情况和发电量对测试机组进行功率性能的优化。

IEC 61400-12-1《功率性能测试》[4]对测试场地、测试设备、测量程序、数据处理都做了明确规定。

1.1.1 测试场地评估

测试场地的评估是为了选取合适的测试扇区来安装测风塔，使测得的风速与风力机输出功率有较好的相关性。测试前，需要对测试场地可能引起气流畸变的因素进行评估，以便选择测风塔的安装位置，确定合适的测试扇区。如果场地地形会造成气流畸变，就需评估适当的气流畸变修正系数，确定其引起的不确定度。引起气流畸变的因素可能有：不同地形的变化、被测风力发电机组之外的其他机组、障碍物(建筑物，树林)等。

1.1.2 测量设备的要求

功率性能测试用到的设备主要有：功率变送器、电压互感器、电流互感器、风速计、风向标、温度传感器、压力传感器、数据采集系统等。

功率变送器的准确度需要满足IEC 60688的要求，级别为0.5级以上。电流互感器级别满足IEC 60044-1的要求，电压互感器级别满足IEC 60044-2的要求，这两种互感器的准确度为0.5级以上。风速的测量使用风杯式风速计，级别至少为1.7 A。主风速计安装在测风塔顶端接近风机轮毂高度处，其下方横杆上安装次级风速计和风向标。温度与压力传感器安装在与轮毂高度差10 m的范围内。数据采集系统用于采集并存储功率及各项气象数据，每个通道的采样速率至少为1 Hz。

1.1.3 测量程序

按标准中具体要求安装测试设备。测风塔安装在测试扇区内，距离风机2D～4D之间(D为风轮直径)。测量功率是指风机的净功率，不包括风机的自身损耗，所以测试过程中应选择正确位置安装电流与电压互感器。功率、风速及风向数据应以1 Hz或更高的采样频率连续采集，气温、气压及风力发电机组状态可用较低采样频率采集，但至少每分钟1次。数据采集系统应存储采样数据的最大值、最小值、平均值和标准偏差，所选数据组应基于10 min的连续测量数据。测试期间数据应周期性检查以保证测试结果的高质量和可重复性。

1.1.4 数据处理

数据应进行气流畸变修正和标准化到参考空气密度下。空气密度根据式(1)由气温和气压测量得出：

式中，ρ10min为得到的空气密度10 min平均值；T10min为测得的绝对气温10 min平均值；B10min为测得的气压10 min平均值；R0为干燥空气的气体常数 287.05 J/(kg·K)。

对定桨距、定转速的失速调节风力发电机组，根据式(2)对输出功率进行标准化：

式中，Pn为标准化的输出功率；P10min为测量功率10 min平均值；ρ0为标准空气密度。

对变桨距的主动控制风力发电机组根据式(3)对风速进行标准化：

式中，Vn为标准化风速；V10min为测量风速10 min平均值。

功率曲线是对标准化后的数据组用“区间法”确定，即用0.5 m/s的区间(每个风速区间应至少有30 min的采样数据，所有风速区间内总共应至少有180 h的采样数据)，根据式(4)和式(5)对每一风速区间计算标准化后的风速平均值和标准化后的输出功率平均值，即：

式中：Vi为第i个区间标准化的平均风速；Vn，i，j为第i个区间数组j标准化的风速；Pi为第i个区间标准化的平均输出功率；Pn，i，j为第i个区间数组j标准化的输出功率；Ni为第i个区间内10 min数据的数目。

年发电量是对不同参考风速的频率分布应用功率曲线进行估算得到的，用于与形状参数为2的威布尔分布完全相同的瑞利分布作为参考风速的频率分布。当轮毂高度年平均风速分别为4 ～11 m/s(取整数)时，根据式(6)估算年发电量：

式中，Nh为1年中的小时数，约为8760 h；N为区间个数。

式中，F(V)为风速的瑞利积累概率分布函数；Vave为轮毂高度的年平均风速；V为风速。

求和初始化设置Vi-1=Vi–0.5 m/s，Pi-1=0.0 kW。1.1.5 不同标准在功率测试上的差别

1)标准中相同概念的不同定义方法。IEC对额定功率的定义为：正常工作条件下，风力发电机组达到的最大连续输出功率；AWEA和BWEA对额定功率的定义为：功率曲线上风速为11 m/s时所对应的输出功率。

IEC对年发电量的定义：利用功率曲线和轮毂高处不同风速频率分布计算得到的1台风力发电机1年时间所产生的全部电能；AWEA和BWEA对年发电量的定义：按照年平均风速为5 m/s计算得到1台风力发电机1年时间所产生的全部电能。

2)不同标准对于功率测试的额外要求，见表1。

表1 不同标准对功率测试的要求

1.2 噪声测试

噪声测试的目的是为了获取风力发电机组的噪声发射特性，得到不同距离下风力机发出噪声的大小。IEC 61400-11《噪声测试》[5]中提供的方法可测量单台风力发电机组从6 ～10 m/s整数风速时的视在A计权声功率级、频谱和音值。标准给出的测量程序在某些方面与城市噪声研究中所采用的程序不同，考虑到风速和风向变化很大，前者更倾向于使风力发电机组噪声描述更加简便，测量步骤的标准化也便于不同风力发电机组之间的比较。标准中对测试设备、测量程序、数据处理都有明确规定。

1.2.1 测试设备

噪声测试中除了用到气象测量仪器外，还会用到测声仪器。气象测量仪器可参考功率测试中的描述。测声仪器主要有声级计、1/3倍频程带频谱测试仪、窄带频谱测试仪。声级计要满足IEC 60804∶2000中1类声级计的要求；1/3倍频程带频谱测试仪至少要有45～11200 Hz的频率范围；窄带频谱测试仪要满足IEC 60651∶1979中1类仪器频率范围20～11200 Hz的相关要求。

1.2.2 测量程序

传声器放在置于地面的平板(平板用直径为1 m的金属材料制成)上，用来采集噪声数据。传声器的位置到风力发电机的距离为R0，R0=H+D/2(H为轮毂中心到地面的高度，D为风轮直径)。气象数据与声音同时测量与采集，当风力发电机停机时，在相似风况下立刻测量背景噪声。在测量背景噪声时，要尽量做到背景声音的测量能代表风力发电机噪声辐射测量期间发生的背景噪声。

1.2.3 数据处理

测量风速需转换成基准高度10 m和基准粗糙程度0.05 m相应条件下的标准风速Vs。

式中，z0ref为基准粗糙长度，0.05 m；z0为粗糙长度；zref为基准高度，10 m；z为风速仪高度。

测量声压级要进行背景噪声的修正，当平均背景噪声声压级比风力发电机和背景噪声的合成声压级低6 dB或更多时，修正值由式(9)确定：

式中，Ls为风力发电机组运行中自身的等效连续声压级；Ls+n为风力发电机组与背景合成噪声等效连续声压级；Ln为背景等效连续声压级。

如果风力发电机组加背景噪声的等效连续声压级Ls+n比背景噪声高出值小于6 dB但大于3 dB，则Ls+n的值通过减去1.3 dB进行修正，且此数据需用“*”标记；这些数据不能用于确定视在声功率级。如果这个差值小于3 dB，就不用记录这些数据，只需记录风力发电机组噪声小于背景噪声。

整数风速的视在声功率级LWA，k由背景修正声压级LAeq，c，k计算得出：

式中，LAeq，c，k为基准条件下整数风速的背景修正的A计权声压级；R1为风轮中心到传声器的倾斜距离；S0为基准面积，S0=1 m2。

1.2.4 不同标准在噪声测试上的差别

3种标准在采集数据的数量、测试内容和报告内容上有一定差别，见表2。

表2 不同标准对噪声测试的要求

除此之外，AWEA标准在报告内容上增加了额定声压级、背景噪声级、距离风轮中心不同位置声压级的关系曲线图；BWEA引入了噪声地图这一概念，用一张图形象地反映了风力发电机组噪声发射特性，有助于用户根据不同噪声发射特性的机组选择合适的安装位置。

1.3 耐久性测试

耐久性测试的目的是为了验证风力发电机组合理的使用寿命。IEC 61400-2《小型风力发电机组设计要求》[4]对耐久性测试的要求主要有：

1)风力发电机组至少稳定运行6个月，在稳定运行期间风力发电机组的大部件没有损坏或更换，且输出功率没有明显下降；

2)在不同的风速情况下，至少发电2500 h；

3)在大于等于1.2倍设计风速情况下至少发电250 h；在大于等于1.8倍设计风速情况下至少发电25 h；在大于等于2.2倍设计风速情况下至少发电2.5 h。

AWEA和BWEA在耐久性测试部分基本与IEC标准保持一致，增加了在15 m/s以上风速下至少发电25 h这一规定。

2 结语

以上介绍了IEC国际标准中关于小型风力发电机组测试的主要内容，选取了两个具有代表性的国家标准与之对比，分别是美国的《AWEA小型风力发电机组性能与安全标准》和英国的《BWEA小型风力发电机组性能与安全标准》。两个国家标准都参考了IEC国际标准，只稍有简化和改动，在报告形式上更加友好，方便消费者使用。

我国中小型风力发电机国家标准有些已经颁布实施，有些正在起草。其中：GB/T 17646-2013《小型风力发电机组设计要求》和GB/T 29494-2013《小型垂直轴风力发电机组》(与中国台湾地区共通标准)已经于2013年10月1日正式颁布实施。由农业部提出、中国农业机械工业协会主持和15 家企业共同参与的《小型风力发电机组运行和安全规范》农业行业标准正在起草中。GB/T 17646-2013《小型风力发电机组 设计要求》等同采用IEC 61400-11∶2006 ed-2.1版本，目前已经颁布了IEC 61400-11∶2013 ed-3.0版本，我国在这项标准的更新进度上相对滞后。台湾对垂直轴小风机发展具有领先国际的优势，两岸合作制定颁布的GB/T 29494-2013《小型垂直轴风力发电机组》可增加我国小型垂直轴风力机在国际市场上的产品竞争力。

[1]祁和生，姚修伟，李德孚.2013年中小型风能行业发展形势报告[J].中小型风能设备与应用， 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].