風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器的誤差修訂

王哲明,朱格家

（東方電氣通遼風(fēng)電工程技術(shù)有限公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器的誤差修訂

王哲明,朱格家

（東方電氣通遼風(fēng)電工程技術(shù)有限公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，風(fēng)能作為新能源、清潔能源的代表，近些年以井噴式的速度發(fā)展。但是隨著風(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模建設(shè)過(guò)后，長(zhǎng)期穩(wěn)定高效的運(yùn)行慢慢被風(fēng)電廠業(yè)主們所重視，作為風(fēng)速的測(cè)量?jī)x器，其自身的準(zhǔn)確性也直接影響到發(fā)電機(jī)功率曲線的生產(chǎn)，在機(jī)組實(shí)際發(fā)電量核算時(shí)，如何進(jìn)行衰減，越來(lái)越引起大家的關(guān)注。旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器在長(zhǎng)期運(yùn)行中測(cè)量值的精度如何變化，如何去修正和維護(hù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。本文借助一些研究資料和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行一段時(shí)間后的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，獲得實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，并對(duì)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的校正做簡(jiǎn)單的論述，以供現(xiàn)場(chǎng)工作人員在實(shí)際工作中參考。

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器；轉(zhuǎn)矩；過(guò)高效應(yīng)；誤差分析

1 旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器的原理

1.1 風(fēng)速傳感器的原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，現(xiàn)在大都采用機(jī)械式旋轉(zhuǎn)軸探頭的風(fēng)速傳感器（又稱風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)）,其感應(yīng)部分由三個(gè)空心風(fēng)杯殼組成。杯殼固定在互成120°的三叉形支架上，杯的凹面順著一個(gè)方向排列，如圖1：

圖1

風(fēng)電場(chǎng)使用的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器由一個(gè)需要提供24V電源的位于固定部分（底座）的光耦合器（或是霍爾開(kāi)關(guān)電路），外加其它的電子電路，在風(fēng)杯部分的內(nèi)部基座中有一帶齒的金屬環(huán)，環(huán)齒每次經(jīng)過(guò)光耦合器，給出一個(gè)24V的脈沖信號(hào)，每轉(zhuǎn)一圈會(huì)給出固定的脈沖數(shù)。由脈沖與脈沖之間的時(shí)間T得出頻率F，再通過(guò)主控制系統(tǒng)內(nèi)的控制器計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)速。主控制器顯示的風(fēng)速有兩種，一種是瞬時(shí)讀數(shù)，另一種則是按照控制內(nèi)部程序定義的參數(shù)經(jīng)過(guò)濾波后算出的的平均讀數(shù)。另外某些高品質(zhì)的風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)，在連接器與24V電源并行安裝了抗寄生電路，一個(gè)0V的信號(hào)直接取自連接器，并被與正信號(hào)的返回值一起送到機(jī)艙的控制器，這樣可以去除部分電噪聲的干擾。為適應(yīng)嚴(yán)寒、冰霜等惡劣環(huán)境，保證電子元器件在合適的溫度下工作，在內(nèi)部裝有加熱器系統(tǒng)，并接受主控制系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。

1.2 風(fēng)速傳感器的探頭選擇

在0至100m/s的風(fēng)速測(cè)量范圍，通?？梢苑譃槿齻€(gè)風(fēng)速區(qū)段：0至5m/s為低風(fēng)速段；5至40m/s為中風(fēng)速段；40至100m/s高風(fēng)速速段。在根據(jù)不同的測(cè)量用途選擇風(fēng)速測(cè)量設(shè)備時(shí)也有所差別，熱敏式探頭的風(fēng)速儀主要用于0至5m/s的低風(fēng)速值測(cè)力需求精確測(cè)量；機(jī)械轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)風(fēng)速傳感器（又稱風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)）主要用于測(cè)量5至40m/s的風(fēng)速值時(shí)，測(cè)量的整體效果最為理想。在實(shí)際運(yùn)用中，高風(fēng)速段基本不出現(xiàn)。另外在選擇風(fēng)速傳感器的流速探頭時(shí)還有一個(gè)附加標(biāo)準(zhǔn)即溫度，一般情況下風(fēng)速傳感器的探頭使用溫度約達(dá)±70度,特制風(fēng)速儀的轉(zhuǎn)輪探頭可達(dá)350度,皮托管式的風(fēng)速儀用于+350度以上的特殊需要的行業(yè)。

2 旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器的測(cè)量誤差分析

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器由于其機(jī)械設(shè)計(jì)的特性，其測(cè)量的誤差一直備受關(guān)注，在1996年美國(guó)學(xué)者M(jìn)acCready認(rèn)為，在實(shí)際大氣測(cè)量中，旋轉(zhuǎn)類風(fēng)速儀的測(cè)量誤差存在4類：w-error、v-error、u-error、DP-error，且存在如下關(guān)系：式中U為主導(dǎo)風(fēng)向的實(shí)際水平風(fēng)速值；Ui為在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室里，穩(wěn)定狀態(tài)下風(fēng)速計(jì)的風(fēng)速測(cè)量值；（w-error）（v-error）（u-error）表示湍流特征對(duì)風(fēng)速儀測(cè)風(fēng)的影響，其誤差大小由湍流特征和儀器的不同而不同；（DP-error）表示流過(guò)感應(yīng)探頭的風(fēng)向與總平均風(fēng)向不一致引起的誤差，即不同風(fēng)速的定義造成的。在上述的誤差中（u-error）表示過(guò)高效應(yīng)，有上述公式（1）可知，在旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)時(shí)就是非線性的。在風(fēng)速增大時(shí)比在風(fēng)速減小時(shí)的響應(yīng)更快，在測(cè)量平均風(fēng)速的值會(huì)偏大，但誤差值有多大，有過(guò)很多爭(zhēng)論，早期的研究人員認(rèn)為（u-error）誤差可達(dá)10％，隨著科技的發(fā)展，特別是超聲波風(fēng)速計(jì)和熱線式風(fēng)速計(jì)的的出現(xiàn)，是測(cè)量值更加貼近于實(shí)際值，也更加促進(jìn)了人們對(duì)（u-error）誤差的認(rèn)識(shí)，在1972年Hyson利用熱線式風(fēng)速計(jì)做實(shí)驗(yàn)，與旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器進(jìn)行對(duì)比，得出（u-error）誤差為0.5—3％。

（w-error）誤差的來(lái)源為是轉(zhuǎn)動(dòng)軸與地面不垂直或大氣中存在上升或下降的氣流，美國(guó)學(xué)者M(jìn)acCready研究指出：當(dāng)風(fēng)向變化的標(biāo)準(zhǔn)差δ小于5度時(shí)，（w-error）誤差在0.5％之內(nèi)，該結(jié)論得到了后來(lái)很多學(xué)者的認(rèn)同。 （v-error）誤差的來(lái)源則是旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器隨風(fēng)向的變化響應(yīng)有關(guān)，與風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)本身無(wú)關(guān)。

（DP-error）誤差的產(chǎn)生根源則在于旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器測(cè)量值的標(biāo)量平均值和矢量平均值之間的差別。我國(guó)有學(xué)者研究認(rèn)為：（DP-error）誤差是輕型低閾值風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)的主要誤差來(lái)源，研究表明其大小隨風(fēng)速的增加迅速減小，當(dāng)風(fēng)速小于2m/s時(shí)，超過(guò)10％，而當(dāng)風(fēng)速大于3m/s時(shí)，不超過(guò)為3％。美國(guó)學(xué)者F.N.Frenkie經(jīng)過(guò)大量的實(shí)際測(cè)算給出了矢量平均和標(biāo)量平均的風(fēng)速關(guān)系表達(dá)式（3）：

本文主要是通過(guò)對(duì)已經(jīng)使用的風(fēng)速計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，研究其性能指標(biāo)是否滿足出廠時(shí)的要求，通過(guò)數(shù)據(jù)的計(jì)算，確定如何對(duì)偏差進(jìn)行修訂，從而提高風(fēng)場(chǎng)中機(jī)組風(fēng)速測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析

本次研究的數(shù)據(jù)來(lái)源于，在通遼地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)2008年末投入生產(chǎn)運(yùn)行的機(jī)組，所采用的風(fēng)速傳感器MITA-TEKNIK生產(chǎn)型號(hào)7690360、成都雷奧生產(chǎn)型號(hào)LE2151兩種型號(hào)的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器，隨即抽取8個(gè)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行4年左右的風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)（7個(gè)mita、1個(gè)雷奧），進(jìn)行測(cè)試。MITA-TEKNIK生產(chǎn)型號(hào)7690360與雷奧生產(chǎn)型號(hào)LE2151兩種型號(hào)的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器，精度技術(shù)指標(biāo)：±0.5m/s或測(cè)量值的±2％，測(cè)量范圍：0.5至50m/s，工作溫度為-30°至70度；風(fēng)速v=G*f+Offset，是在G為增益0.08669，由風(fēng)速計(jì)本身設(shè)計(jì)決定，f為風(fēng)速計(jì)輸出的頻率，Offset為輸出風(fēng)速的偏移量，出廠設(shè)定為0.32，可以修改設(shè)定，以減小測(cè)量誤差。檢測(cè)單位長(zhǎng)春機(jī)械工業(yè)氣象儀器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及性能：

（1）EDE1-5低速風(fēng)洞，編號(hào)：F401，測(cè)量范圍：0.2～～60m/s，不均勻度±0.8％；

（2）ISP--6--2000D精密微差壓計(jì)，編號(hào)：0560110，測(cè)量范圍：0～～400mmH20,5級(jí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)；

（3）EY3---2A電子微風(fēng)儀，編號(hào)：4585，測(cè)量范圍：0～～1.0m/s；

（4）DYM3空盒氣壓表；

（5）溫濕度計(jì) φ450；

（6）標(biāo)準(zhǔn)度盤，編號(hào)：F403 測(cè)量范圍：0～～360°，精度11′。

檢測(cè)方法：將旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器安裝在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，開(kāi)啟風(fēng)洞，緩慢調(diào)節(jié)風(fēng)速到如下測(cè)試，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)穩(wěn)定2分鐘，然后讀取標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值和儀器顯示值。選取5個(gè)風(fēng)速測(cè)試點(diǎn)分別為：2、5、10、20、30、40m/s；測(cè)試得出的數(shù)據(jù)繪制成如下折線圖圖1，清晰地表達(dá)了每個(gè)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器的測(cè)量誤差大小，誤差值=試驗(yàn)測(cè)得值—標(biāo)準(zhǔn)值。

圖2

由圖2可以得至：（1）所有的測(cè)量值都比標(biāo)準(zhǔn)值都偏小；（2）所有的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器的測(cè)量誤差變大，特別是在10m/s風(fēng)速時(shí)，已在設(shè)計(jì)的測(cè)風(fēng)區(qū)間不能滿足出場(chǎng)的精度要求。

圖3

分別對(duì)2、5、10、20、30、40m/s六個(gè)采樣點(diǎn)所測(cè)得測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出每個(gè)測(cè)風(fēng)速點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速的差值vi的標(biāo)準(zhǔn)方差δi（i分別為2、5、10、20、30、40m/s六個(gè)采樣點(diǎn)），

代入數(shù)值，計(jì)算得到δ值為0.567，因?yàn)榭紤]到機(jī)組的實(shí)際測(cè)風(fēng)情況和實(shí)際的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器精度情況，并經(jīng)過(guò)多次的實(shí)際計(jì)算，最后確定Offset的偏移量值取1.067最為合適，此時(shí)測(cè)量風(fēng)速的值在2、5、10、20m/s的時(shí)候與對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值擬合最好如圖4。此時(shí)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器計(jì)算公式需修改為風(fēng)速v=0.08669*f+1.067。

圖4

4 總結(jié)與討論

通過(guò)本次的試驗(yàn)，可以得到旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，測(cè)量值確實(shí)出現(xiàn)了一定的誤差，同時(shí)各個(gè)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器的測(cè)速點(diǎn)偏離均值具有一致性，證明風(fēng)速計(jì)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)和電氣部件是沒(méi)有問(wèn)題的，旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器可以經(jīng)過(guò)合理的調(diào)整偏移量，使其測(cè)量值滿足風(fēng)速計(jì)出場(chǎng)的技術(shù)指標(biāo)。由于受到測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的限制，并未對(duì)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器測(cè)速數(shù)據(jù)的四類誤差進(jìn)行計(jì)算,和對(duì)風(fēng)速進(jìn)行修正。

現(xiàn)在運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)中，還沒(méi)有針對(duì)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器使用檢測(cè)時(shí)間有過(guò)規(guī)定，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器，主控系統(tǒng)仍采用出廠時(shí)給的公式進(jìn)行計(jì)算，這樣主控系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速的測(cè)量產(chǎn)生較大的誤差會(huì)偏大。由于旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器安裝在機(jī)艙尾部，受旋轉(zhuǎn)的輪轂和塔架產(chǎn)生的紊流的影響，進(jìn)一步擴(kuò)大的風(fēng)速計(jì)的測(cè)量誤差，如何修正這些誤差，使主控系統(tǒng)得到的風(fēng)速值更貼近于實(shí)際，更真實(shí)的描繪出功率曲線等，還需要作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)采集和分析。

隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后帶來(lái)的新問(wèn)題也慢慢凸現(xiàn)出來(lái)，如某風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)軸承內(nèi)部進(jìn)入細(xì)小沙粒，造成風(fēng)速計(jì)低風(fēng)速段測(cè)風(fēng)不準(zhǔn)，嚴(yán)重者出現(xiàn)主控報(bào)風(fēng)速計(jì)失效等錯(cuò)誤，今后如何解決等實(shí)際問(wèn)題還有待于進(jìn)一步的研究。

參考資料：

[1]張紅升，陳家宜，樸淳雄。風(fēng)杯風(fēng)速儀過(guò)高效應(yīng)的訂正研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),10：257-266.

[2]彭艷，張宏升，許飛等.風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)測(cè)風(fēng)誤差的分析方法與修訂方法[J].氣象水文海洋儀器,2003（06）.

王哲明（1986—），男，遼寧鞍山人，本科，助理工程師，主要從事：大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障檢測(cè)及預(yù)防維護(hù)。