風電機組風速風向儀未來發展趨勢研究

梁宇飛

（中國大唐集團新能源股份有限公司北京檢修分公司，北京 100071）

0 引言

隨著風電機組發電技術的不斷發展，對風向風速儀的技術要求越來越高。尤其是20世紀90年代變槳距風電機組的出現，為了更好地控制風電機組發電，要求必須準確及時地測出風速，并對風電機組進行相應的控制，從而獲取最大發電功率并降低成本。而風能具有較高的不確定性，要想很好地控制風電機組發電，使之跟隨風速的變化調節功率，就要求其具有靈敏、功耗低、可維護性好、壽命長等特點。

1 常用風電機組風向風速儀

目前，風電機組常用的風速風向儀有機械式、傳統超聲波式和超聲波共振式，本文詳細介紹這三類風向風速儀結構原理和優缺點。

1.1 機械式風向標和風速儀的結構原理和優缺點

目前，國內比較常用的機械式風速儀由風向標和風杯風速儀組成。風向測量是利用一個低慣性的風向標部件作為感應部件，如圖1所示。風向標部件隨風旋轉，帶動轉軸下端的風向碼盤，風向的信號發生裝置由格雷碼盤、發光管、光敏管等組成。碼盤是一個圓形金屬薄片，上面有7個不同等分的同心圓，同心圓由內到外分別作2、4、8、16、32、64、128等分，每個相鄰等分不是被挖空就是未被挖空，或者說不是透光就是不透光。對應每個同心園的上下面有一組發光管和光敏管，共7組。風標轉動時，由于同心圓的透光或不透光，7個光敏管上接收到或接收不到光，7根信號線上或是“1”或是“0”，這就完成了風向到格雷碼的轉換。

風杯風速儀的感應部分一般由三個或四個半球形或拋物錐形的空心杯殼組成，杯殼固定在互成120°的三叉型支架或互成90°的十字形支架上，杯的凹面順著一個方向排列，整個橫臂架則固定在一根垂直的旋轉軸上，如圖2所示。風速測量是利用一個低慣性的風杯部件作為感應部件，信號變換電路為霍爾集成電路。在水平風力的驅動下，風杯旋轉，在霍爾磁敏元件中感應出脈沖信號，其頻率隨風速的增大而線性增加，測出頻率就可計算出風速。

機械式風向風速儀的優點包括：（1）成本較低、使用方便，并且基本不需要維護；（2）轉速與風速基本上為線性關系；（3）抗強風能力強。但是，也存在以下不足：（1）機械裝置體積較大，轉動慣性會引起遲滯效應，響應速度慢，適合精度要求較低的場合；（2）存在轉動部件，容易產生磨損；（3）機械結構可能受到惡劣天氣的損害，沙塵和鹽霧也會對其造成腐蝕；（4）由于摩擦的存在，低于啟動值的風速將不能驅動螺旋槳或者風杯進行旋轉。因此，低于啟動風速的微風將無法測量；（5）寒冷天氣容易結冰需要手動加熱，影響風電機組可利用率。

1.2 傳統超聲波風向風速儀的結構原理和優缺點

傳統超聲波風向風速儀，如圖3所示。由超聲波探頭、發射接收電路、電源模塊、發射接收控制及數據分析處理中心和數據結果顯示單元組成。四個超聲波探頭成90°布置。傳統超聲波風速風向儀的工作原理是利用超聲波時差法來實現風速的測量。聲音在空氣中的傳播速度，會和風向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風向相同，它的速度會加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風向相反，它的速度會變慢。因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風速函數對應。通過計算即可得到精確的風速和風向。由于聲波在空氣中傳播時，它的速度受溫度的影響很大；風速儀檢測兩個通道上的兩個相反方向，因此溫度對聲波速度產生的影響可以忽略不計。

傳統超聲波風向風速儀的優點主要包括：

（1）采用非接觸式測量，基本上不干擾風電場，無壓力損失，對測量環境要求不高，適用范圍廣；

（2）由于沒有機械轉動部件，不存在機械磨損、阻塞、冰凍等問題，使用壽命長，重量輕；

（3）由于沒有“機械慣性”，靈敏度高，可捕捉瞬時的風速微小變化，可測出風速中的高頻脈動成分，理論上沒有測量上限，不要求啟動風速；

圖1 機械式風向標

圖2 機械式風杯風速儀

圖3 傳統超聲波風向風速儀

（4）輸出特性為線性，易于實現數字化輸出及流量的計算，且時差法克服了聲速隨流體變化所帶來的誤差，準確度較高。

主要缺點是：

（1）傳統超聲波風向風速儀的安裝直接影響到計量的準確度，所以對安裝要求十分嚴格；

（2）該測風儀結構較為復雜，故障排除較困難；

（3）尺寸大、不易加熱、易結冰，同時易受雷雨、雪、雹、霜、霧、沙塵等障礙物影響。

1.3 超聲波共振式風向風速儀的結構原理和優缺點

超聲波共振式風向風速儀，如圖4所示。利用聲波（超聲波）在小型腔室內共振來進行測量。基本結構是由被稱為上下反射器的一對小平行板組成的設備。在水平方向上，結構是無邊界的，空氣在反射板之間自由流動。在垂直方向上，空氣受到反射板的限制，因而在垂直方向的平均速度可以忽略不計。聲波（超聲波）由三個分別與壓電元件耦合的振動膜片產生和接收。如圖4所示，膜片呈三角形分布。在任意時刻，均有一個膜片處于電激勵狀態。膜片表面產生超聲波并向外傳播，直至到達上反射器進行近似全反射。由此產生的波前向下運行，到達下反射器并再次反射。超聲波繼續在反射器之間反彈，直到在空氣中能量損失并充分衰減變為不完全反射。實際上，該過程約含有200次反射。

圖4 超聲波共振式風向風速儀

超聲波共振式風向風速儀的運行原理使其具備了超常的規格和眾多優點，例如空氣流速范圍廣、使用壽命長、高實用性、小而輕的結構以及出色的靈敏度和準確性。由于沒有暴露在外的部件，采用聲共振技術可以生產能夠在極端天氣條件下運行的耐用傳感器。該傳感器功耗低，而且在會干擾使用其他技術的傳感器的環境條件下，聲共振技術卻能夠提供內置的補償來矯正結果。

2 結論

當前國內所使用的風速儀風向標種類主要有兩種，機械式風速風向儀和超聲波風速風向儀。其中使用較多的是機械式風速風速儀，盡管這種方法簡單可靠，但由于其測量部分具有機械活動部件，在長期暴露于室外的工作環境下容易磨損，壽命有限，維護成本較高。另外，檢測精度也不高。而采用超聲波風速風向測量系統，精度高，可靠性高，壽命長且維護成本相對較低。而最新的超聲波共振式風向風速儀具有眾多優點，可靠性要高很多，價格也越來越便宜，未來超聲波共振式風向風速儀比占主導位置。

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