測風儀在風力發(fā)電場中的應用

大唐新疆清潔能源有限公司，新疆烏魯木齊 830011

一、引言

風能的利用，主要是用于風力發(fā)電，由于風資源的間歇性、隨機性、不可控性，控制系統(tǒng)的設計中保證實時、可靠控制是關鍵。測風系統(tǒng)作為其信號來源，為其變槳控制、偏航控制提供控制信號，作用及其重要。同時，測風信息對于風電場選址、風力發(fā)電機機型選擇及風電場理論估算也是重要依據(jù)。

設備管理是整個風電場管理中的重要環(huán)節(jié)之一，如何降低非計劃停運，保證設備的長期安全運行，將設備治理作為提高安全經(jīng)濟型的切入點也成為近年來風電場關注的焦點。為了提高設備管理水平，保證設備正確無誤運行，其測量分析顯得極其重要。加之，風電場建設多處于戈壁、荒山等自然條件惡劣環(huán)境，為了避免不安全事故的發(fā)生，控制系統(tǒng)可靠性要求較高，信號采集的準確與系統(tǒng)穩(wěn)定運行關系密切，測風儀器設備的管理及數(shù)據(jù)采集的分析在風電機組運行中很關鍵。

二、常用測風儀的分類

風速風向儀的總體可分為三類，分別是機械式、傳統(tǒng)超聲波式和超聲波共振式。

機械式測風儀是風電場最常用的一種測風裝置，風向傳感器用來測量風向，同時一個用來防止結冰的自調節(jié)PTC—加熱裝置和電阻器彼此連接在傳感器的端口和外罩之間用來防止靜電放電、信號通過光電方式產生[1]。機械式測風儀器，采用測風速與風向分別測量，存在旋轉架構，磨損損耗大，密封要求高，受戶外環(huán)境影響大，定期維護工作量大，人工成本增加。但其價格便宜，構造簡單，便于安裝受到客戶的歡迎[2]。

傳統(tǒng)超聲波式測風儀器，將超聲波技術應用到傳感器中，無移動部件及堅固的不繡鋼結構使得無需維修與現(xiàn)場校對時進行加熱，保證了傳感器不會結冰或積雪[3]。 避免了機械損耗，同樣受到沙塵、大雪、雨水、霜霧影響測量結果，尺寸大，加熱難，溫度影響大。

超聲波共振式測風儀器風速與風向集中測量，結構小巧，加熱方便，環(huán)境要求低，可靠性高，但其價格昂貴[4]。

超聲波共振式風速風向儀是利用聲超聲信號在一個較小的腔體內發(fā)生共振來測量風速和風向[5]。其采用聲共振技術原理，共振效應大幅增強了信噪比，因而能在極小的共振腔內實現(xiàn)高精度的聲速測量。

三、淺談測風儀的故障分析及維護

根據(jù)現(xiàn)場運行維護情況，測風儀的故障主要集中在以下幾點：

（1）常溫測風儀放置在低溫高溫環(huán)境中，風力發(fā)電機所處的惡劣環(huán)境下，會使得測風儀工作失靈；

（2）測風儀防護等級低，會導致沙塵，微小塵埃進入，使得測風儀失靈，甚至抱死；

（3）暴風、雷雨天氣的影響下，測風儀會導致風向標、風速儀損壞；

（4）大風天氣會造成捆扎不結實的線路中短；

（5）測風儀如果長期運行在潮濕的環(huán)境中，使得測風儀壽命縮短；

（6）結冰天氣對于測風儀影響很大，使得測風儀結冰，測風儀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不準確，直接影響到風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)中的主動偏航；

（7）測風儀位于機艙外部，大氣電磁干擾的作用下，使得測風儀測量不準確。

測風儀出現(xiàn)故障之后，要及時的對于故障進行處理與維修，針對故障問題從測風裝置設備設計要求必須滿足以下要求：

（1）測風儀要具有防腐蝕能力，表面要經(jīng)過防腐層處理，保證戶外使用的安全可靠的運行；

（2）寒冷地區(qū)經(jīng)常會出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，所以測風儀帶有自加熱功能，熱敏電阻隨溫度的降低而加熱升高，隨溫度的增加而降低；

（3）為了避免風力發(fā)電機組的振動，影響測風儀的數(shù)據(jù)傳輸，測風儀需抗震性能好；

（4）對于高風速會產生的旋轉機械的變形，使得測風儀在高風速不會損壞。超聲波與超聲波共振式?jīng)]有移動原件，所以不存在磨損和性能隨使用時間而降低的問題；

（5）滿足測風儀的防水、防塵、防沙安全保護等級，無論哪種原理結構的，測風儀的防護等級都大于或者等于IP64的防護等級，從而滿足了風力發(fā)電機組的惡劣環(huán)境下的使用要求。

通過測風儀在風電機組實際應用，避免出現(xiàn)測風儀故障，對生產運行提出如下要求：

（1）出現(xiàn)結冰的現(xiàn)象后，應該立即進行清理；

（2）檢修人員或者運行人員應根據(jù)環(huán)境的污穢等級定期對于測風儀進行校正；

（3）充分利用風電機組半年檢修、全年檢修對測風儀進行維護；

（4）對于風速數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)偏大或者偏小時，及時對設備進行維護；

（5）測風系統(tǒng)數(shù)值與實際功率不一致時，需要進一步查找設備原因；

（6）風電場投運后，測風裝置采集的數(shù)據(jù)需要運行值班人員定期收集，按照日周月及時備份，為分析問題提供數(shù)據(jù)支撐。比如：測風塔位置選擇是否合理具有代表性、可研報告中湍流強度與實際是否吻合、微觀選址報告中風機位置布置是否最理想，通過數(shù)據(jù)積累可以開展分析自評價工作。測風裝置數(shù)據(jù)準確無誤是特別重要，統(tǒng)計管理也是必不可少的。

四、測風系統(tǒng)故障實例分析

某風電場19:30分風機監(jiān)控機告DT01“風速與功率不匹配”故障（現(xiàn)場風速11m/s，功率600kW，單機容量2000kW）。19:40分，風速逐步增加，辦理工作票后，運行人員及消缺人員共同對風機塔基對比分析排查，發(fā)電機、逆變器、控制系統(tǒng)等電氣設備運行正常，由于照明不足及風速增大，安全性得不到保證，未進行登塔進一步排查故障。通過逐步排查分析認為風速儀故障，需要待風小后登塔作業(yè)，確定故障類型。20:30分，消缺人員交代運行人員加強監(jiān)視，待風速下降后通知再去現(xiàn)場登塔作業(yè)。次日07:30，現(xiàn)場風速降低至3m/s，滿足作業(yè)條件，消缺人員登塔進行巡視，發(fā)現(xiàn)其測風儀卡澀，手動撥動不靈敏，更換DT01風機測風儀器后，告警消失。測風系統(tǒng)故障告警，并與其相關設備進行排查，包含信號傳輸進行查看，對測風儀進行定期與不定期維護，可以大大降低采集信號故障率，也可以提高風力發(fā)電機功率曲線匹配度。

五、測風系統(tǒng)在某風電場中的數(shù)據(jù)分析

1、某風電場裝機容量為49.5MW，其安裝單機容量為33臺的1500kW雙饋風機，其1月份發(fā)電量及風資源情況如圖1所示。

通過圖形可知，風資源情況與發(fā)電量存在偏差，主要1月13日日發(fā)電量約為90萬度，其中平均風速低于5m/s，截止到1月20日發(fā)電量約為80萬度，平均風速約為3m/s，對比分析整理數(shù)據(jù)，其中1月13日-20日，發(fā)電量及平均風速、有效風時數(shù)不匹配，存在平均風速過小。進一步排查原因單臺風機數(shù)據(jù)，對比分析風機監(jiān)控數(shù)據(jù)及關口表計量發(fā)現(xiàn)，有1臺風機發(fā)電量數(shù)據(jù)劇增，導致發(fā)電量數(shù)據(jù)成畸形變化，造成全場發(fā)電量統(tǒng)計偏差，監(jiān)控系統(tǒng)存在偏差所致，對其數(shù)據(jù)按照臨近風機進行修正后，發(fā)電量仍存在偏差。分析其采集的每臺風速數(shù)據(jù)，有3臺風機采樣數(shù)據(jù)比實際平均風速過小所致，幾乎為零。通過對監(jiān)控系統(tǒng)進行維護及存在問題的測風裝置進行更換后恢復正常。

2、某風電場單臺機組實際曲線如圖2所示。其中實際功率曲線處于小風期時功率曲線不達標，大風期間曲線不夠平滑，首先通過功率曲線擬合矯正空氣密度的影響，最后通過對測風裝置進行校零，后進行3個月數(shù)據(jù)收集繼續(xù)對比分析，功率曲線基本平滑過渡，仍存在8m/s～9m/s之間低于標準功率曲線，需要繼續(xù)收集收據(jù)且分析查找問題，通過時間校正滿足要求。

六、總結

測風儀可實時監(jiān)測周圍環(huán)境的風速值、風向值，為控制系統(tǒng)的變槳、偏航提供信號來源，以風力發(fā)電機組的安全、可靠、穩(wěn)定運行為目的，為提高風力發(fā)電機組的運行安全提供有力的保證。選擇何種形式的測風儀要根據(jù)實際的風速等各種外部條件，另外綜合多種因素，選擇適合自己風場應用的測風儀很是必要，測風儀的生產廠家也在不斷的提高測風儀的可靠性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，減少維修次數(shù)。測風儀出現(xiàn)故障之后要及時的進行處理與維護,保證控制系統(tǒng)的信號來源。測風儀安裝方便，只需要在散熱支架上面鉆孔，即可以安裝，但是電氣連接必須由電氣專業(yè)人員進行，必須根據(jù)適用的標準規(guī)范連接電氣設備，供電電壓不允許超過上限值。對于測風數(shù)據(jù)的分析及判斷也非常重要，利用多種統(tǒng)計方法進行擬合分析判斷，預測提供依據(jù)、風電場建設、評估提供專業(yè)決策也是后續(xù)發(fā)展方向。