风电机组功率曲线测试中的功率测量方法研究

风电机组功率曲线测试中的功率测量方法研究

石宇峰魏煜锋

（明阳智慧能源集团股份公司广东中山528437）

摘要：功率曲线作为风电机组表现性能的最重要指标，功率测量是其中的一个重要部分，然而，大部分人忽略了功率测量的重要性，把重点放在风速测量方面，但很多时候功率测量也并非那么简单，功率信号也并非完美，并且随着风电机组容量的增大，造成电缆增多，机组内部的磁场干扰变大，功率测量会面临更多的难题，本文通过介绍功率测量的重要性、功率测量的原理和方法，总结功率测量过程中的注意事项，旨在引起大家对功率测量的重视。

关键词：风电机组；功率测量

1功率信号的重要性

功率曲线由两个信号组成，横坐标是风速，纵坐标是功率，大家更多关心的是风速信号的准确性，很少会怀疑功率信号的准确性，功率信号相比风速信号测量确实简单很多，但如果测量方法不妥当，也会直接影响功率曲线尤其是功率曲线散点图。例如，下图是功率曲线的散点图，包含了最大值、平均值、最小值和标准偏差，可看出，最大值和最小值相对比较离散，疑似不太合理。

图2被干扰的功率信号

2测试设备工作原理

2.1电流互感器工作原理

电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器，工作原理见下图，一次绕组电流I1与二次绕组I2的电流比即为变比，一次侧电流根据额定电流大小来选择，二次侧电流一般为1A或5A。电流互感器相当于升压变压器，二次侧不允许开路，否则会产生高压造成危险；二次侧必须有一端接地，避免因一、二次线圈之间的绝缘击穿时，一次侧的电压窜入二次侧，危机人身和设备安全。电流互感器可分为开口式和闭口式，开口式的安装比较方便，不用拆开铜排或者电缆即可安装，但精度相对较低；闭口式的安装相对复杂，但精度相对较高；采用磁吸开口式互感器时，最好在开口处加上绝缘胶带固定，避免在运行过程中因为晃动导致接触不良。

图3电流互感器原理

2.2电压互感器工作原理

电压互感器相当于降压变压器，将高压转换成低压，降压的目的主要是供测量仪表和继电保护装置测量线路的电压。电压互感器二次侧不允许短路，否则会出现很大的电流，将损坏二次设备甚至危及人身安全，可以在二次侧装设熔断器以保护其自身不因二次侧短路而损坏。

2.3功率变送器工作原理

功率变送器是将采集到的电压和电流，计算转换成相应的弱电信号输出，例如，4-20mA或0-10V。功率曲线测试只要求测量有功功率即可，因此，功率变送器在选型时无需选择带无功功率测量功能的型号。因为机组在并网时是处于发电状态，在脱网时是处于耗电状态，因此，一定要选择可双向测量的功率变送器。

功率变送器可选择三相输入型或两相输入型，三相输入型需接三个电流互感器，两相输入型只需接两个电流互感器。对于三相均衡的场合，或无法安装三个电流互感器的场合，可选择两相输入型，不过为确保测量精度，建议采用三相输入型。

3功率测量方法分类

按电流互感器的安装位置分类，功率测量可分为低压侧和高压侧测量，低压侧测量又分为单组测量和多组测量。

下图为采用高压侧测量的方式，将电流互感器套在高压侧电缆上，因为高压电缆已具备铠装功能，所以电流互感器采用普通型号即可，无需要求过高的电压等级，同时，将电压互感器的二次侧接入功率变送器。例如一台5MW机组，低压侧额定电流约4200A，高压侧额定电流约83A，如果在高压侧测量，可选择125/5A的电流互感器，选择100V和5A的功率变送器。

4设备安装注意事项

测试设备在安装过程中，应注意以下事项：

安装前必须断开箱变低压侧开关，然后断开高压侧开关，并确保没有残留电后方可进行安装工作；必须带上安全帽，穿上电工鞋。

根据IEC61400-12-1：2017测试标准，电流互感器、电压互感器和功率变送器均需满足精度不低于0.5级的要求，像罗氏线圈之类的电流测量一般达不到这个精度，所以在功率曲线测试中不用罗氏线圈。同时，对于能安装闭口式互感器的场合，尽量少用开口式互感器。

电流互感器的安装位置应该在去除风机自耗电即净上网电量的线路中，不过变压器本身还是会有一些损耗，只不过数值很小，应明确描述具体的安装位置。电流互感器安装应牢固，避免出现晃动，否则影响信号的稳定性，可能出现信号毛刺；同时，3个电流互感器的安装不要歪斜，最好与电流流过的方向垂直。

图5电流互感器安装示意图

功率测量设备的量程应最少达到机组额定功率的-25%~125%，同时，应定期监控测试期间的功率数据，确保信号未超出设备的量程。

电流互感器、电压互感器和功率变送器，均需在使用前送到有相关资质的机构校准，并出具校准证书，确保整个测试期间设备的使用都在校准有效期内。

功率测量设备尤其是功率变送器，容易受电网冲击引起损坏或烧毁，因此，功率变送器的电压采样和电源侧建议采用熔断器隔离，否则容易因瞬间过流烧毁功率变送器，引起线路火灾；电压采样电缆的两端必须牢固连接，如出现松动、断裂或脱落，很容易引起火花，烧毁设备，危及箱变。

功率变送器的输出信号，最好选择电流输出信号，例如，4-20mA，因为电流信号的抗干扰能力相对较强，输出信号的电缆要采用双绞屏蔽电缆，保证抗干扰能力，屏蔽线要接地处理；因输出信号在传输到采集器的过程中，会由于电缆传输造成损耗，因此，要对线路进行标定，标定的方法是先将功率变送器侧的输出电缆拆除，将校准仪器（本身要在校准有效期内）输出跟功率变送器相同的信号，同时在采集器侧采集信号，找到功率变送器输出端到采集器的线性关系。

5设备故障检查和解决方案

测得的净功率应与总功率进行对比，因为机组存在自耗电，净功率一般比总功率小100kW之内，如果差别较大，或者波形存在毛刺，则可判断为信号异常。

如果发现功率变送器输出信号异常时，需逐个排查，首先，为确保安全，先断开箱变低压侧开关，然后断开高压侧开关，用万用表测量确保低压侧铜排、电缆等部件完全没电后方可进一步检查。

首先检查每个设备的外观和电缆，是否有烧毁痕迹，然后检查所有连接处的螺母是否紧固。

检查电流互感器，首先检查三个电流互感器的朝向必须一致，如果不一致，必然会导致功率变送器信号输出异常；如果是开口式电流互感器，还需检查开口处必须紧密结合；用万用表测量每个电流互感器二次侧的电阻，电阻一般不超过100欧，确保一致，若某个不一致，可通过更换的方式尝试解决；检查每个电流互感器的二次侧接入到功率变送器时的顺序是否一致。

检查功率变送器，确保其供电线路正常，供电线路的上端断路器是否跳闸；通过单端接地另一端用万用表测量的方法，确保其信号输出电缆在铺设途中未被人为损坏断裂；检查电流互感器的ABC三相与电压信号的相序在接入功率变送器时一致。

检查完上述内容后恢复上电，如果在功率变送器的输出端检测到电压或电流信号，则表明功率变送器没有损坏，如果仍旧没有信号输出，则需尝试更换一个相同型号的功率变送器。

6结论

功率测量在电力行业中已具有比较成熟的方法，风电行业作为电力行业的一部分，测量方法大同小异，但风电机组由于受风的波动影响，功率出现较大的随机性和不确定性，并且随着风电机组功率不断增大，功率测量表现出一些特殊性，为推动风电行业不断进步，应不断总结和创新针对风电机组的功率测量方法。

参考文献：

[1]IEC61400-12-1：2017，Windturbine-Part12-1：Powerperformancemeasurementsofelectricityproducingwindturbines

[2]GB/T18451.2-2012风力发电机组功率特性测试