風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)速測量技術(shù)

雷鵬+劉文紅+張帥+邱天爽

摘 要：風(fēng)速測量在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中影響著風(fēng)力機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率的控制，風(fēng)速值的準(zhǔn)確性將影響整個風(fēng)機(jī)的效率。首先介紹了幾種在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常用的風(fēng)速測量儀，簡述了其原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后分析了各種風(fēng)速測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，最后展望了軟測量技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)速測量中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)速測量；聲學(xué)測風(fēng)儀；傳感器

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.009

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，并通過采集外部風(fēng)速、風(fēng)向等信息來實(shí)時調(diào)控發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率。因此，風(fēng)速值是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)能否平穩(wěn)、高效地輸出電能。

風(fēng)速測量儀必須滿足一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。當(dāng)今主流風(fēng)機(jī)的有效利用風(fēng)力范圍為3～25 m/s，因此測量儀的最大準(zhǔn)確測量值應(yīng)大于25. 由于風(fēng)力的多變性、不確定性，因此，測量儀的測量值應(yīng)具有足夠的實(shí)時性，傳感器的反應(yīng)時間不能低于1 s。同時，測量儀應(yīng)該具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以盡可能地減少環(huán)境對其測量精度的影響。此外，還要考慮測量儀的經(jīng)濟(jì)性、壽命、后期維護(hù)費(fèi)用等問題。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)傳感器測量原理的不同，可以分為機(jī)械測風(fēng)儀、動壓式測風(fēng)儀、熱電測風(fēng)儀、聲學(xué)測風(fēng)儀和光學(xué)測風(fēng)儀等。

1 測風(fēng)儀

1.1 機(jī)械測風(fēng)儀

機(jī)械測風(fēng)儀是一種應(yīng)用最廣泛、技術(shù)較成熟的風(fēng)速測量儀，主要有風(fēng)杯式風(fēng)速儀和旋槳式風(fēng)速儀兩大類。機(jī)械式測風(fēng)儀的特點(diǎn)是：①結(jié)構(gòu)簡單、故障率低；②環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適用于不同氣候要求；③測量原理簡單，受其他外界因素影響較?。虎艹杀据^低，易于維護(hù)。憑借這些優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械測風(fēng)儀在風(fēng)速測量領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位。

機(jī)械式測風(fēng)儀也仍存較多不足之處，主要有：①低風(fēng)速時測量誤差較大；②由于機(jī)械轉(zhuǎn)動存在慣性，測量數(shù)據(jù)滯后，響應(yīng)速度減緩；③轉(zhuǎn)動部件存在機(jī)械損耗，部件易老化。針對這些問題，我們通過提高機(jī)械測風(fēng)儀的機(jī)械強(qiáng)度、采用新材料來降低遲滯效應(yīng)，增強(qiáng)轉(zhuǎn)動部件密封性來防止老化等措施提高機(jī)械測風(fēng)儀的測量性能。

1.2 動壓式測風(fēng)儀

動壓式測風(fēng)儀中的皮托管是測量流體點(diǎn)速度的裝置，特別適用于與空氣動力和風(fēng)力有關(guān)領(lǐng)域的氣流速度測量。皮托管用軟膠管與微壓計(jì)相連，就組成皮托管微壓計(jì)測量系統(tǒng)。通過伯努利方程，很容易將獲得的壓差轉(zhuǎn)化為風(fēng)速。

有研究者設(shè)計(jì)了基于風(fēng)載荷測量的新型多維力風(fēng)速傳感器，采用應(yīng)變片測量彈性梁的應(yīng)變，由此測得風(fēng)載荷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速和風(fēng)向的測量。這種傳感器沒有機(jī)械運(yùn)動構(gòu)件，受風(fēng)體還可以起到保護(hù)傳感器敏感結(jié)構(gòu)的作用，而應(yīng)變片能在較為惡劣的環(huán)境下使用，這就使這種風(fēng)速傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

還有研究者以微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種微型懸板式風(fēng)速傳感器，通過測量輸出電容變化量來檢測風(fēng)速，溫度效應(yīng)小。

以上兩種新式動壓式測量有著各自獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但都存在慣性導(dǎo)致的測量滯后。如何在設(shè)計(jì)中消除這些誤差，仍需通過大量的試驗(yàn)加以改進(jìn)。

1.3 熱電測風(fēng)儀

熱電測風(fēng)儀按其原理可分為恒流式、恒溫式和恒溫差式熱電測風(fēng)儀，具有使用方便、操作簡單、響應(yīng)迅速、信號容易采集、數(shù)據(jù)處理簡便、低風(fēng)速時靈敏度較高等特點(diǎn)。但同時也存在許多問題，例如熱線制作要求高；機(jī)械強(qiáng)度降低，易斷裂；感應(yīng)部分易受腐蝕，后期維護(hù)成本增加；受被測介質(zhì)壓力、溫度和物性的影響，變工況情況下超差嚴(yán)重等。

對于熱電測風(fēng)儀的各種問題，許多專家學(xué)者通過更換新式材料、優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)等方式，大大提高了熱電測風(fēng)儀的測量精度和利用范圍。

1.4 聲學(xué)測風(fēng)儀

聲學(xué)測量中，主要使用超聲波進(jìn)行測量。超聲波風(fēng)速儀因具有占用空間小、無機(jī)械活動部件、維護(hù)費(fèi)用低、量程廣、采集數(shù)據(jù)實(shí)時性好和數(shù)據(jù)精度較高等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法，超聲波風(fēng)速儀測量方法主要有時差法、相差法和頻差法。

1.4.1 時差法

時差法是利用超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)情況下產(chǎn)生的時間差來計(jì)算得出風(fēng)速，如圖1所示。

設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為vs，風(fēng)速大小為vw，風(fēng)向與兩個換能器A與B之間的連線呈平行狀態(tài)，兩者距離為d，超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)情況下的路徑傳播時間分別為tAB和tBA，則：

.

時間t是可以直接測得的量，根據(jù)上式選擇合適的算法即

可獲得風(fēng)速信息。但由于該方法的中t值很小，所以微小的偏差所產(chǎn)生的測量誤差也會很大，而且該方法中必須考慮到超聲波在空氣中的衰減。

1.4.2 相位法

相位法是通過測量超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)時產(chǎn)生的相位差來獲得風(fēng)速信息。這種方法很好地避免了測量時間差這一微小量，從而可以提高精度。以圖1為例，設(shè)聲波的角頻率為 ，則順風(fēng)時的相位為：

逆風(fēng)時的相位為：

聯(lián)立可得：

由上式可以看出，相位法雖然避免了對微小量的測量，但是同樣會引入超聲波速度。由于超聲波在空氣中會衰減產(chǎn)生變化，因此會影響精度。

1.4.3 頻差法

頻差法是將發(fā)射接收系統(tǒng)組成閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，通過多次測量頻差求得風(fēng)速。此法精度較高，通過發(fā)射、接收閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，消除了超聲波傳播速度的影響，降低了溫度的影響。以圖1為例，將順風(fēng)時的頻率設(shè)為：

但此法存在抑制環(huán)境干擾能力差的缺點(diǎn)。

1.5 光學(xué)測風(fēng)儀

根據(jù)工作原理，可將光學(xué)測風(fēng)儀分為頻率測量法、位移測量法和全場測量法。

1.5.1 頻率測量法

頻率測量法是利用光波的多普勒效應(yīng)，根據(jù)風(fēng)場的激光回波信號的頻率變化來分析風(fēng)速，可以對風(fēng)場進(jìn)行精確的三維測量。目前可以采用相干測量（外差測量）和非相干測量（直接測量）兩種方法來實(shí)現(xiàn)對多普勒頻移量的測量。

利用多普勒原理制成的光學(xué)測風(fēng)儀有著很多突出的優(yōu)點(diǎn)：①屬于非接觸測量，激光束的交點(diǎn)就是測量探頭，不會影響流場分布。②測速精度高。光路中的一些參數(shù)一經(jīng)確定，就可以精確地確定多普勒頻率與速度之間的關(guān)系，基本上與氣體的其他特性，例如溫度、壓力、密度等參數(shù)無關(guān)。

但使用該方法也有很多需要解決的問題，例如激光多普勒測風(fēng)儀要求在流體中存在散射粒子，必須考慮粒子的跟隨性、粒子散射光的清晰度等問題，且風(fēng)場需有一定的透光性；光學(xué)測風(fēng)儀的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)比較困難，易受振動等因素的影響；對信號處理器要求較高；設(shè)備價(jià)值昂貴，不易推廣。

1.5.2 位移測量法

位移測量技術(shù)在工程中一般用于多光束位移測風(fēng)儀，原理是根據(jù)一定時間內(nèi)微粒漂過的距離計(jì)算風(fēng)速，僅分析、對比光強(qiáng)，就可通過檢測風(fēng)場中微粒散射的激光能量，采集激光光束方向上氣溶膠散射回來的光信號強(qiáng)度，然后確定微粒通過多束平行激光光束的時間，進(jìn)而測得風(fēng)速。與上述傳統(tǒng)的激光測風(fēng)雷達(dá)相比，其優(yōu)點(diǎn)是降低了發(fā)射系統(tǒng)的復(fù)雜程度，能克服多普勒激光雷達(dá)中反射回波的相位畸變；激光波長、模式和穩(wěn)頻要求高；結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，適用于低空風(fēng)力測量。

近幾年，有研究人員設(shè)計(jì)出了一種可用于風(fēng)速測量的CMOS光點(diǎn)位置檢測傳感器。該傳感器利用帶有光源發(fā)射的傳感頭將風(fēng)速、風(fēng)向信號轉(zhuǎn)變成電信號檢出，能同時檢測風(fēng)向和風(fēng)速，不受環(huán)境溫度的影響；具有穩(wěn)定性好、加工工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)，在大風(fēng)速的情況下有較高的風(fēng)速、風(fēng)向測量靈敏度，但在小風(fēng)速情況下，風(fēng)速、風(fēng)向測量的靈敏度還有待進(jìn)一步提高。

2 結(jié)束語

風(fēng)速信息是風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中重要的參考指標(biāo)，是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)高效、安全運(yùn)行的重要保證。本文從不同角度介紹了國內(nèi)外比較常用的利用傳感器技術(shù)來測量風(fēng)速的手段，并闡述了其基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。近幾年，有專家學(xué)者提出了用軟測量技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳感器測量技術(shù)，即利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等算法來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速的預(yù)測。該方法可以綜合考慮各種因素對風(fēng)速的影響，較為準(zhǔn)確地估計(jì)出實(shí)際有效風(fēng)速，具有很好的發(fā)展前景。隨著新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，風(fēng)速測量技術(shù)仍在不斷的進(jìn)步當(dāng)中。

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〔編輯：王霞〕