風力發電機組中旋轉式風速傳感器的誤差修訂

王哲明,朱格家

（東方電氣通遼風電工程技術有限公司,內蒙古 通遼 028000）

風力發電機組中旋轉式風速傳感器的誤差修訂

王哲明,朱格家

（東方電氣通遼風電工程技術有限公司,內蒙古 通遼 028000）

隨著經濟的發展，風能作為新能源、清潔能源的代表，近些年以井噴式的速度發展。但是隨著風電場的大規模建設過后，長期穩定高效的運行慢慢被風電廠業主們所重視，作為風速的測量儀器，其自身的準確性也直接影響到發電機功率曲線的生產，在機組實際發電量核算時，如何進行衰減，越來越引起大家的關注。旋轉式風速傳感器在長期運行中測量值的精度如何變化，如何去修正和維護越來越受到人們的關注。本文借助一些研究資料和現場運行一段時間后的旋轉式風速傳感器在實驗室進行檢測，獲得實際監測數據并進行分析，并對旋轉式風速傳感器在實際應用過程中的校正做簡單的論述，以供現場工作人員在實際工作中參考。

旋轉式風速傳感器；轉矩；過高效應；誤差分析

1 旋轉式風速傳感器的原理

1.1 風速傳感器的原理

風力發電機組中，現在大都采用機械式旋轉軸探頭的風速傳感器（又稱風杯風速計）,其感應部分由三個空心風杯殼組成。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

風電場使用的旋轉式風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（或是霍爾開關電路），外加其它的電子電路，在風杯部分的內部基座中有一帶齒的金屬環，環齒每次經過光耦合器，給出一個24V的脈沖信號，每轉一圈會給出固定的脈沖數。由脈沖與脈沖之間的時間T得出頻率F，再通過主控制系統內的控制器計算出相應的風速。主控制器顯示的風速有兩種，一種是瞬時讀數，另一種則是按照控制內部程序定義的參數經過濾波后算出的的平均讀數。另外某些高品質的風杯風速計，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艙的控制器，這樣可以去除部分電噪聲的干擾。為適應嚴寒、冰霜等惡劣環境，保證電子元器件在合適的溫度下工作，在內部裝有加熱器系統，并接受主控制系統進行智能控制。

1.2 風速傳感器的探頭選擇

在0至100m/s的風速測量范圍，通常可以分為三個風速區段：0至5m/s為低風速段；5至40m/s為中風速段；40至100m/s高風速速段。在根據不同的測量用途選擇風速測量設備時也有所差別，熱敏式探頭的風速儀主要用于0至5m/s的低風速值測力需求精確測量；機械轉旋轉風速傳感器（又稱風杯風速計）主要用于測量5至40m/s的風速值時，測量的整體效果最為理想。在實際運用中，高風速段基本不出現。另外在選擇風速傳感器的流速探頭時還有一個附加標準即溫度，一般情況下風速傳感器的探頭使用溫度約達±70度,特制風速儀的轉輪探頭可達350度,皮托管式的風速儀用于+350度以上的特殊需要的行業。

2 旋轉式風速傳感器的測量誤差分析

旋轉式風速傳感器由于其機械設計的特性，其測量的誤差一直備受關注，在1996年美國學者MacCready認為，在實際大氣測量中，旋轉類風速儀的測量誤差存在4類：w-error、v-error、u-error、DP-error，且存在如下關系：式中U為主導風向的實際水平風速值；Ui為在風洞實驗室里，穩定狀態下風速計的風速測量值；（w-error）（v-error）（u-error）表示湍流特征對風速儀測風的影響，其誤差大小由湍流特征和儀器的不同而不同；（DP-error）表示流過感應探頭的風向與總平均風向不一致引起的誤差，即不同風速的定義造成的。在上述的誤差中（u-error）表示過高效應，有上述公式（1）可知，在旋轉式風速傳感器設計時就是非線性的。在風速增大時比在風速減小時的響應更快，在測量平均風速的值會偏大，但誤差值有多大，有過很多爭論，早期的研究人員認為（u-error）誤差可達10％，隨著科技的發展，特別是超聲波風速計和熱線式風速計的的出現，是測量值更加貼近于實際值，也更加促進了人們對（u-error）誤差的認識，在1972年Hyson利用熱線式風速計做實驗，與旋轉式風速傳感器進行對比，得出（u-error）誤差為0.5—3％。

（w-error）誤差的來源為是轉動軸與地面不垂直或大氣中存在上升或下降的氣流，美國學者MacCready研究指出：當風向變化的標準差δ小于5度時，（w-error）誤差在0.5％之內，該結論得到了后來很多學者的認同。 （v-error）誤差的來源則是旋轉式風速傳感器隨風向的變化響應有關，與風杯風速計本身無關。

（DP-error）誤差的產生根源則在于旋轉式風速傳感器測量值的標量平均值和矢量平均值之間的差別。我國有學者研究認為：（DP-error）誤差是輕型低閾值風杯風速計的主要誤差來源，研究表明其大小隨風速的增加迅速減小，當風速小于2m/s時，超過10％，而當風速大于3m/s時，不超過為3％。美國學者F.N.Frenkie經過大量的實際測算給出了矢量平均和標量平均的風速關系表達式（3）：

本文主要是通過對已經使用的風速計的實驗測量，研究其性能指標是否滿足出廠時的要求，通過數據的計算，確定如何對偏差進行修訂，從而提高風場中機組風速測量的準確性。

3 數據來源及分析

本次研究的數據來源于，在通遼地區某風電場2008年末投入生產運行的機組，所采用的風速傳感器MITA-TEKNIK生產型號7690360、成都雷奧生產型號LE2151兩種型號的旋轉式風速傳感器，隨即抽取8個在現場運行4年左右的風杯風速計（7個mita、1個雷奧），進行測試。MITA-TEKNIK生產型號7690360與雷奧生產型號LE2151兩種型號的旋轉式風速傳感器，精度技術指標：±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；風速v=G*f+Offset，是在G為增益0.08669，由風速計本身設計決定，f為風速計輸出的頻率，Offset為輸出風速的偏移量，出廠設定為0.32，可以修改設定，以減小測量誤差。檢測單位長春機械工業氣象儀器產品質量監督檢驗中心，所采用的實驗設備以及性能：

（1）EDE1-5低速風洞，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級測量標準；

（3）EY3---2A電子微風儀，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）標準度盤，編號：F403 測量范圍：0～～360°，精度11′。

檢測方法：將旋轉式風速傳感器安裝在風洞實驗室的實驗臺上，開啟風洞，緩慢調節風速到如下測試，每個測試點穩定2分鐘，然后讀取標準風速值和儀器顯示值。選取5個風速測試點分別為：2、5、10、20、30、40m/s；測試得出的數據繪制成如下折線圖圖1，清晰地表達了每個旋轉式風速傳感器的測量誤差大小，誤差值=試驗測得值—標準值。

圖2

由圖2可以得至：（1）所有的測量值都比標準值都偏小；（2）所有的旋轉式風速傳感器的測量誤差變大，特別是在10m/s風速時，已在設計的測風區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數據進行計算，得出每個測風速點與標準風速的差值vi的標準方差δi（i分別為2、5、10、20、30、40m/s六個采樣點），

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

圖4

4 總結與討論

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

現在運行的風電場中，還沒有針對旋轉式風速傳感器使用檢測時間有過規定，長時間運行的旋轉式風速傳感器，主控系統仍采用出廠時給的公式進行計算，這樣主控系統對風速的測量產生較大的誤差會偏大。由于旋轉式風速傳感器安裝在機艙尾部，受旋轉的輪轂和塔架產生的紊流的影響，進一步擴大的風速計的測量誤差，如何修正這些誤差，使主控系統得到的風速值更貼近于實際，更真實的描繪出功率曲線等，還需要作進一步的數據采集和分析。

隨著風電行業的發展，機組長期運行后帶來的新問題也慢慢凸現出來，如某風場出現風速計旋轉軸承內部進入細小沙粒，造成風速計低風速段測風不準，嚴重者出現主控報風速計失效等錯誤，今后如何解決等實際問題還有待于進一步的研究。

參考資料：

[1]張紅升，陳家宜，樸淳雄。風杯風速儀過高效應的訂正研究[J].應用氣象學報,10：257-266.

[2]彭艷，張宏升，許飛等.風杯風速計測風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：大型風力發電機組的故障檢測及預防維護。