潮流能发电装置功率特性现场测试方法-国家海洋技术中心

1《潮流能发电装置功率特性现场测试方法》编制说明《潮流能发电装置功率特性现场测试方法》标准编制组2019年1月2《潮流能发电装置功率特性现场测试方法》编制说明一、制定标准的背景、目的和意义随着全球经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越大，而化石能源储备量却是有限的，人们逐渐清醒地认识到能源问题将制约着各国经济和社会的发展。可再生能源代替化石能源己经成为全球的共识。海洋面积约占全球面积的70%，海洋中蕴含着丰富的波浪能、潮流能、温差能等海洋可再生能源，对清洁的海洋可再生能源开发利用得到全球高度关注。近年来，我国不断加大海洋能开发利用技术的研发投入，在海洋能发电技术研发、海洋能发电系统示范工程建设、海洋能发电装置研发和产业化、标准研究及支撑服务体系建设等方面的研究均取得了显著成效。目前国内已经形成了波浪能、潮流能开发利用及装置研发团队，突破了部分关键技术，并开展了示范电站的建设，一批海洋能发电装置工程样机进入实海况示范阶段。随着越来越多海洋能发电装置的研发和海试，对其运行状况和发电效果进行测试的需求也越来越迫切。但是，目前我国还未建成功能完备的海洋能发电装置测试场，我国自主研发的大部分潮流能发电装置都在潮流能资源丰富的舟山海域开展现场示范运行工作，但是舟山海域海岛众多、海底地形变化剧烈，国际电工委员会发布的潮流能发电装置功率特性现场测试规程（IEC62600-200）中规定的流速测量位置，并不能够获取输入到潮流能发电装置中的流速值。而我国目前在潮流能发电装置功率特性现场测试领域内，还没有相关技术标准。在此社会需求下，我国海洋国家标准和行业标准制修订计划重点需求中，提出要制定“潮流能发电装置功率特性现场测试技术标准”，目的是对潮流能发电装置功率特性现场测试方法进行研究，形成国家标准，适用于我国潮流能发电装置功率特性现场测试工作，旨在提高潮流能发电装置的发电性能、促进清洁的潮流能资源的开发与利用。而潮流能资源的开发与利用，有利于充分发挥沿海和海岛海洋能资源优势，就近解决生产和生活以至国防用电，十分有利于改善能源结3构，对减少大气污染、节能减排、缓解电力工业的环境保护压力、促进沿海地区经济的持续快速发展具有积极的作用，同时还有助于推动整个海洋能利用产业的发展进程，带动形成庞大的产业链，新增就业岗位。二、工作简况1、任务来源、计划项目编号，标准负责起草和参加起草的单位本项目来自于《关于国家重点研发计划“国家质量基础的公共性技术研究与应用”重点专项2016年度项目立项的通知》（国科议程办字[2016]12号）之项目“高端装备重要领域关键共性技术标准研究”（项目编号：2016YFF0202400），国家海洋技术中心参与该项目课题“海洋工程装备和高技术船舶关键共性技术标准研究”（课题编号：2016YFF0202404）的研究工作。标准计划编号：20184587-T-418标准负责起草的单位：国家海洋技术中心。标准参加起草的单位：国家海洋标准计量中心、天津大学、哈尔滨瑞哈科技发展有限公司、山东电力工程咨询院有限公司。2、主要工作过程、标准主要起草人及其所做的工作（1）主要工作过程2016年12月，在NQI、海洋可再生能源专项资金项目的支持下，国家海洋技术中心等相关单位承担编制《潮流能发电装置功率特性现场测试方法》。2016年12月，成立标准编制组。2017年2月，编写组在原有开展潮流能发电装置功率特性现场测试工作的基础上，完善了标准草案。2017年3月，通过海洋标准委员会，对标准进行了申报，编写了标准项目申报书，并在会场上对标准的相关技术内容进行了汇报。2018年5月，参加了海洋标准起草人员培训会。2018年5月23日，参加2018年第六次国家标准立项评估会。2018年12月29日，国标委下达标准计划号。2019年1月10日，参加海标委召开的国家标准制定工作部署会议。4（2）标准主要起草人及其所做的工作王项南：国家海洋技术中心，主持标准编写、组织协调、资料意见汇总。夏海南：国家海洋技术中心，开展资料意见收集、分析、汇总等工作，负责潮流能发电装置功率特性分析部分内容的编制；张原飞：国家海洋技术中心，负责潮流能发电装置输出功率测量部分内容的编制；郭毅：国家海洋技术中心，参与潮流能发电装置输出功率测量部分内容的编制；贾宁：国家海洋技术中心，参与潮流能发电装置流速参数测量部分内容的编制；薛彩霞：国家海洋技术中心，参与潮流能发电装置输出功率测量部分内容的编制；李强：国家海洋技术中心，参与潮流能发电装置流速参数测量部分的编制；王静：国家海洋技术中心，参与标准的验证工作；徐春红：国家海洋标准计量中心，承担标准框架的制定；白志刚：天津大学，参与流速测量部分内容的编制；杨勇：哈尔滨瑞哈科技发展有限公司，参与潮流能发电装置输出功率测量部分内容的编制；朱月勇：山东电力工程咨询院有限公司，参与潮流能发电装置输出功率测量部分内容的编制。三、标准编制原则和确定标准主要内容的论据(如技术指标、参数、公式、性能要求、试验方法、检验规则等)。修订标准时，应增列新旧标准水平的对比。1、标准编制原则本标准的编制原则如下：（1）统一性在标准的编制过程中，充分考虑了标准的文体和术语一致性，标准中对于同一个概念使用同一个术语进行表示。5（2）适用性充分考虑我国潮流能发电装置的研发现状、测试海域海洋环境特点和测试技术水平，确定的标准技术内容能够适用于我国潮流能发电装置的现场测试工作。（3）先进性紧跟国际潮流能发电装置测试领域内最新动态，确保标准的编制处于世界先进水平。（4）协调性与我国现有的相关法律、法规、海洋能产业发展规划等相协调，遵守现行基础标准的有关条款。2、确定标准主要内容的论据（一）关于本标准的引用文件本技术要求中引用文件分为两种，一种为规范性引用，直接引用已有标准中的相关内容，相关引用文件列入了规范性引用文件中；另一种为资料性引用，如部分内容在已有标准基础上提出了更为具体的要求，部分内容因为引用文件的针对对象并非潮流能发电装置，因而其规定不能完全依照执行，但可以作为参考。（二）关于术语和定义“扫掠面积”、“能量捕获截面积”、“等效直径”、“区间方法”等术语在本标准的编写中尤为重要，因此在参考了GB/T18451.2-2012《风力发电机组功率特性测试》等相关标准后，对该术语进行了定义。（三）一般规定在潮流能发电装置功率特性现场测试的过程中，需要对现场测试过程中的测试步骤、数据采集与处理等内容进行规定。标准的实施首先要规定测试步骤。另外，由于要估算潮流能发电装置的年发电量，因此至少要测量潮流能发电装置所处海域一个月内潮流资源的变化情况。测试时间越长，越能表征潮流能发电装置的年发电指标，但是综合考虑仪器设备等相关情况，本标准规定了测试时间至少为一个月。在测试的过程中，不能人为的对潮流能发电装置的物理结构、运行策略进行针对的改变，也不能对测试海域的流场进行人为的改变，目的是为了测得6潮流能发电装置在实际运行状态下的功率输出特性。在测试海域数据收集部分，规定了收集数据的具体区域，明确了收集水深、地形、涨落潮主流向、流速最大值等数据类型。在数据采集与处理中，对流速的采样频率、电功率的采样频率、测试数据的记录周期等相关内容都进行了规定，同时也进一步明确了测试一个月具体时间为720小时。（四）关于流速测量流速的测量是准确地对潮流能发电装置的功率特性指标开展测试的关键。因此，在该标准中将流速测量单独列出，对流速测量仪器要满足的相关要求、流速测量仪器的布放位置、流速测试数据的预处理等相关内容进行了规定。在流速测量仪器的选择上，本标准推荐采用坐底式流速测量设备，目的是为了避免采用漂浮式浮标等测量方式对测流精度产生的影响，提高流速的测量精度，进而提高潮流能发电装置功率特性测试的准确度。对流速测量仪器设备在潮流能发电装置能量捕获截面在垂向的分层上，提出了高度差不超过1m的技术指标，目的是为了精细化测量输入到潮流能发电装置整个能量捕获截面范围内的流速。在流速测量仪器布放位置的选择上，本标准参考了国际电工委员会发布的潮流能发电装置功率特性现场测试规程中的方法，规定了在距潮流能发电装置能量捕获截面上游和下游各2倍到5倍等效直径范围内，为推荐流速测量仪器布放位置。同时又考虑了我国潮流能发电装置的研发现状和海试海域的基本情况，部分测试海域水深、地形等较为复杂，也提出了可以采用数值模型来选择潮流流速测量位置。流速的测量是采用分层的测量方法，本标准中也给出了在潮流能发电装置能量捕获截面范围内特征流速值的计算方法。（五）关于潮流能发电装置输出功率测量在标准中规定了潮流能发电装置输出功率的测量设备及测量位置。电气测量设备的正确选择十分重要，直接关系到功率测量的精度，测量时通常选用互感器和功率变送器。当进行高电压、大电流测量时，需要使用电压互感器、电流互感器，不仅使测量回路与强电隔离，而且可以使二次仪表统一规格；当潮流能发电装置进行自动检测或自动控制时，需要用到功率变送器，可将被测信号变换成标7准的直流信号。用于日常监测时，可选用1.0级或3.0级互感器，进行电气测量时，一般采用精度较高的0.5级互感器，GB/T18451.2-2012《风力发电机组功率特性测试》也规定了互感器和变送器的准确度至少为0.5级。潮流流速的变化是规律的，潮流能发电装置的额定容量也是依据潮流流速设计的，因此测量装置的量程包含潮流能发电装置的最大输出的正负瞬间峰值即可。潮流能发电装置在涨潮和落潮过程中发电时间可持续数小时，实时的输出功率也不会突变，每1分钟记录一次数据可涵盖潮流能发电装置在涨潮、落潮时的功率输出情况。所使用测量设备应通过具有相关资质的第三方检测，并出具证书，开展测量时间应包含在证书校验合格的有效期内。本标准还规定了潮流能发电装置输出功率的测量位置。目前，潮流能发电装置可分为离网型和并网型。离网型潮流能发电装置输出的功率通过蓄电池组平滑和储存，再向负载供电，为获得潮流能发电装置的实时输出功率，测量点应位于潮流能发电机与蓄电池组的连接点。并网型潮流能发电装置输出的功率通过并网逆变器并入电网，获得潮流能发电装置的实时输出功率，测量点应位于潮流能发电装置与电网的连接点。（六）关于潮流能发电装置的功率特性在标准中规定了潮流能发电装置的功率特性指标主要有功率特性曲线、转换效率和年发电量三个指标。其中，功率特性曲线是以潮流流速为横坐标、潮流能发电装置在该流速条件下的输出电功率为纵坐标而绘制的曲线。绘制功率特性曲线的目的是为了反映潮流流速与输出功率之间的关系，便于了解潮流能发电装置在不同流速条件下的输出功率。转换效率是反映潮流能发电装置将潮流能转换为电能的能力。因此，转换效率也是衡量潮流能发电装置发电性能的重要指标。年发电量的估算是估算潮流能发电装置在一年的时间内所能产生的电能，这反映的是潮流能发电装置的经济性指标，关乎潮流能发电装置的运营成本，关乎潮流能发电装置的投入与产出比。因此本标准中提出来需要估算年发电量指标。8四、主要试验(或验证)的分析、综述，技术经济论证，预期的经济效果。(一)主要实验的分析、综述目前，在国家相关项目的支持下，我国已有相关单位开展了潮流能发电装置功率特性现场测试方法研究、并且开展了现场测试工作。在海洋能可再生能源专项资金、国家科技支撑计划等财政支持下，国内陆续建立了多个海洋能发电装置的实验室测试平台和现场测试平台，并开展了测试方法研究。2008年国家科技支撑计划项目“海洋能发电系统综合测试技术研究”和2010年海洋能专项“波浪能、潮流能能量转换效率模拟测试技术研究”，是由国家海洋技术中心牵头，分别在实验室和现场测试的环境下建立波浪能、潮流能发电装置模型和实型机的测试系统，实现发电装置模型转换效率的测试与分析。实验室检测分为三级检测平台，对海洋能发电装置能量俘获环节，液压、机械传递转换环节和电能变换及电能管理环节的转换效率进行分析。现场平台包括波浪骑士、流速计、电功率分析仪、测试负载等测试系统。可在现场对装置的功率输出特性进行测试。在项目实施期间，测试平台完成了对岱山潮流能发电装置的实海况测试、自由变偏