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)電場的大規(guī)模建設(shè)過后，長期穩(wěn)定高效的運行慢慢被風(fēng)電廠業(yè)主們所重視，作為風(fēng)速的測量儀器，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)組實際發(fā)電量核算時，如何進(jìn)行衰減，越來越引起大家的關(guān)注。旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器在長期運行中測量值的精度如何變化，如何去修正和維護(hù)越來越受到人們的關(guān)注。本文借助一些研究資料和現(xiàn)場運行一段時間后的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器在實驗室進(jìn)行檢測，獲得實際監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，并對旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器在實際應(yīng)用過程中的校正做簡單的論述，以供現(xiàn)場工作人員在實際工作中參考。

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器；轉(zhuǎn)矩；過高效應(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）,其感應(yīng)部分由三個空心風(fēng)杯殼組成。杯殼固定在互成120°的三叉形支架上，杯的凹面順著一個方向排列，如圖1：

圖1

風(fēng)電場使用的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器由一個需要提供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)過光耦合器，給出一個24V的脈沖信號，每轉(zhuǎn)一圈會給出固定的脈沖數(shù)。由脈沖與脈沖之間的時間T得出頻率F，再通過主控制系統(tǒng)內(nèi)的控制器計算出相應(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，在連接器與24V電源并行安裝了抗寄生電路，一個0V的信號直接取自連接器，并被與正信號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)速測量范圍，通常可以分為三個風(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)不同的測量用途選擇風(fēng)速測量設(shè)備時也有所差別，熱敏式探頭的風(fēng)速儀主要用于0至5m/s的低風(fēng)速值測力需求精確測量；機(jī)械轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)風(fēng)速傳感器（又稱風(fēng)杯風(fēng)速計）主要用于測量5至40m/s的風(fēng)速值時，測量的整體效果最為理想。在實際運用中，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還有一個附加標(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)速傳感器的測量誤差分析

旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器由于其機(jī)械設(shè)計的特性，其測量的誤差一直備受關(guān)注，在1996年美國學(xué)者M(jìn)acCready認(rèn)為，在實際大氣測量中，旋轉(zhuǎn)類風(fēng)速儀的測量誤差存在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)向的實際水平風(fēng)速值；Ui為在風(fēng)洞實驗室里，穩(wěn)定狀態(tài)下風(fēng)速計的風(fēng)速測量值；（w-error）（v-error）（u-error）表示湍流特征對風(fēng)速儀測風(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)計時就是非線性的。在風(fēng)速增大時比在風(fēng)速減小時的響應(yīng)更快，在測量平均風(fēng)速的值會偏大，但誤差值有多大，有過很多爭論，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)速計和熱線式風(fēng)速計的的出現(xiàn)，是測量值更加貼近于實際值，也更加促進(jìn)了人們對（u-error）誤差的認(rèn)識，在1972年Hyson利用熱線式風(fēng)速計做實驗，與旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器進(jìn)行對比，得出（u-error）誤差為0.5—3％。

（w-error）誤差的來源為是轉(zhuǎn)動軸與地面不垂直或大氣中存在上升或下降的氣流，美國學(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，（w-error）誤差在0.5％之內(nèi)，該結(jié)論得到了后來很多學(xué)者的認(rèn)同。 （v-error）誤差的來源則是旋轉(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)速計本身無關(guān)。

（DP-error）誤差的產(chǎn)生根源則在于旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器測量值的標(biāo)量平均值和矢量平均值之間的差別。我國有學(xué)者研究認(rèn)為：（DP-error）誤差是輕型低閾值風(fēng)杯風(fēng)速計的主要誤差來源，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，超過10％，而當(dāng)風(fēng)速大于3m/s時，不超過為3％。美國學(xué)者F.N.Frenkie經(jīng)過大量的實際測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）：

本文主要是通過對已經(jīng)使用的風(fēng)速計的實驗測量，研究其性能指標(biāo)是否滿足出廠時的要求，通過數(shù)據(jù)的計算，確定如何對偏差進(jìn)行修訂，從而提高風(fēng)場中機(jī)組風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性。

3 數(shù)據(jù)來源及分析

本次研究的數(shù)據(jù)來源于，在通遼地區(qū)某風(fēng)電場2008年末投入生產(chǎn)運行的機(jī)組，所采用的風(fēng)速傳感器MITA-TEKNIK生產(chǎn)型號7690360、成都雷奧生產(chǎn)型號LE2151兩種型號的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器，隨即抽取8個在現(xiàn)場運行4年左右的風(fēng)杯風(fēng)速計（7個mita、1個雷奧），進(jìn)行測試。MITA-TEKNIK生產(chǎn)型號7690360與雷奧生產(chǎn)型號LE2151兩種型號的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器，精度技術(shù)指標(biāo)：±0.5m/s或測量值的±2％，測量范圍：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)速計本身設(shè)計決定，f為風(fēng)速計輸出的頻率，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，以減小測量誤差。檢測單位長春機(jī)械工業(yè)氣象儀器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，所采用的實驗設(shè)備以及性能：

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

（2）ISP--6--2000D精密微差壓計，編號：0560110，測量范圍：0～～400mmH20,5級測量標(biāo)準(zhǔn)；

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

（4）DYM3空盒氣壓表；

（5）溫濕度計 φ450；

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

檢測方法：將旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器安裝在風(fēng)洞實驗室的實驗臺上，開啟風(fēng)洞，緩慢調(diào)節(jié)風(fēng)速到如下測試，每個測試點穩(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個風(fēng)速測試點分別為：2、5、10、20、30、40m/s；測試得出的數(shù)據(jù)繪制成如下折線圖圖1，清晰地表達(dá)了每個旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器的測量誤差大小，誤差值=試驗測得值—標(biāo)準(zhǔn)值。

圖2

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

圖3

分別對2、5、10、20、30、40m/s六個采樣點所測得測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出每個測風(fēng)速點與標(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六個采樣點），

代入數(shù)值，計算得到δ值為0.567，因為考慮到機(jī)組的實際測風(fēng)情況和實際的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器精度情況，并經(jīng)過多次的實際計算，最后確定Offset的偏移量值取1.067最為合適，此時測量風(fēng)速的值在2、5、10、20m/s的時候與對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值擬合最好如圖4。此時旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器計算公式需修改為風(fēng)速v=0.08669*f+1.067。

圖4

4 總結(jié)與討論

通過本次的試驗，可以得到旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器在現(xiàn)場長時間運行時，測量值確實出現(xiàn)了一定的誤差，同時各個旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器的測速點偏離均值具有一致性，證明風(fēng)速計的機(jī)械旋轉(zhuǎn)和電氣部件是沒有問題的，旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器可以經(jīng)過合理的調(diào)整偏移量，使其測量值滿足風(fēng)速計出場的技術(shù)指標(biāo)。由于受到測風(fēng)數(shù)據(jù)的限制，并未對旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器測速數(shù)據(jù)的四類誤差進(jìn)行計算,和對風(fēng)速進(jìn)行修正。

現(xiàn)在運行的風(fēng)電場中，還沒有針對旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器使用檢測時間有過規(guī)定，長時間運行的旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速傳感器，主控系統(tǒng)仍采用出廠時給的公式進(jìn)行計算，這樣主控系統(tǒng)對風(fēng)速的測量產(chǎn)生較大的誤差會偏大。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)速計的測量誤差，如何修正這些誤差，使主控系統(tǒng)得到的風(fēng)速值更貼近于實際，更真實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)組長期運行后帶來的新問題也慢慢凸現(xiàn)出來，如某風(fēng)場出現(xiàn)風(fēng)速計旋轉(zhuǎn)軸承內(nèi)部進(jìn)入細(xì)小沙粒，造成風(fēng)速計低風(fēng)速段測風(fēng)不準(zhǔn)，嚴(yán)重者出現(xiàn)主控報風(fēng)速計失效等錯誤，今后如何解決等實際問題還有待于進(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)速儀過高效應(yīng)的訂正研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,10：257-266.

[2]彭艷，張宏升，許飛等.風(fēng)杯風(fēng)速計測風(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)組的故障檢測及預(yù)防維護(hù)。