風力發電系統中的風速測量技術

雷鵬+劉文紅+張帥+邱天爽

摘 要：風速測量在風力發電系統中影響著風力機組的轉速和功率的控制，風速值的準確性將影響整個風機的效率。首先介紹了幾種在風力發電系統中常用的風速測量儀，簡述了其原理、結構特點，然后分析了各種風速測量方法的優缺點及適用范圍，最后展望了軟測量技術在風力發電系統風速測量中的應用前景。

關鍵詞：風力發電；風速測量；聲學測風儀；傳感器

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.009

風力發電機是一種將風能轉化為電能的能量轉換裝置，并通過采集外部風速、風向等信息來實時調控發電機的轉速和輸出功率。因此，風速值是否準確直接關系到風力發電機能否平穩、高效地輸出電能。

風速測量儀必須滿足一定的技術標準，以保證測量數據的準確性。當今主流風機的有效利用風力范圍為3～25 m/s，因此測量儀的最大準確測量值應大于25. 由于風力的多變性、不確定性，因此，測量儀的測量值應具有足夠的實時性，傳感器的反應時間不能低于1 s。同時，測量儀應該具有足夠的機械強度，以盡可能地減少環境對其測量精度的影響。此外，還要考慮測量儀的經濟性、壽命、后期維護費用等問題。在風力發電系統中，根據傳感器測量原理的不同，可以分為機械測風儀、動壓式測風儀、熱電測風儀、聲學測風儀和光學測風儀等。

1 測風儀

1.1 機械測風儀

機械測風儀是一種應用最廣泛、技術較成熟的風速測量儀，主要有風杯式風速儀和旋槳式風速儀兩大類。機械式測風儀的特點是：①結構簡單、故障率低；②環境適應能力強，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小；④成本較低，易于維護。憑借這些優點，機械測風儀在風速測量領域占有主導地位。

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

1.2 動壓式測風儀

動壓式測風儀中的皮托管是測量流體點速度的裝置，特別適用于與空氣動力和風力有關領域的氣流速度測量。皮托管用軟膠管與微壓計相連，就組成皮托管微壓計測量系統。通過伯努利方程，很容易將獲得的壓差轉化為風速。

有研究者設計了基于風載荷測量的新型多維力風速傳感器，采用應變片測量彈性梁的應變，由此測得風載荷，進而實現對風速和風向的測量。這種傳感器沒有機械運動構件，受風體還可以起到保護傳感器敏感結構的作用，而應變片能在較為惡劣的環境下使用，這就使這種風速傳感器具有結構簡單、性能可靠和環境適應性強的特點。

還有研究者以微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技術為基礎設計了一種微型懸板式風速傳感器，通過測量輸出電容變化量來檢測風速，溫度效應小。

以上兩種新式動壓式測量有著各自獨特的優點，但都存在慣性導致的測量滯后。如何在設計中消除這些誤差，仍需通過大量的試驗加以改進。

1.3 熱電測風儀

熱電測風儀按其原理可分為恒流式、恒溫式和恒溫差式熱電測風儀，具有使用方便、操作簡單、響應迅速、信號容易采集、數據處理簡便、低風速時靈敏度較高等特點。但同時也存在許多問題，例如熱線制作要求高；機械強度降低，易斷裂；感應部分易受腐蝕，后期維護成本增加；受被測介質壓力、溫度和物性的影響，變工況情況下超差嚴重等。

對于熱電測風儀的各種問題，許多專家學者通過更換新式材料、優化數學模型和結合計算機技術等方式，大大提高了熱電測風儀的測量精度和利用范圍。

1.4 聲學測風儀

聲學測量中，主要使用超聲波進行測量。超聲波風速儀因具有占用空間小、無機械活動部件、維護費用低、量程廣、采集數據實時性好和數據精度較高等優點，在世界范圍內得到了廣泛的應用。根據不同的設計結構和計算方法，超聲波風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和逆風情況下產生的時間差來計算得出風速，如圖1所示。

設超聲波在空氣中的傳播速度為vs，風速大小為vw，風向與兩個換能器A與B之間的連線呈平行狀態，兩者距離為d，超聲波在順風和逆風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，根據上式選擇合適的算法即

可獲得風速信息。但由于該方法的中t值很小，所以微小的偏差所產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和逆風時產生的相位差來獲得風速信息。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，設聲波的角頻率為 ，則順風時的相位為：

逆風時的相位為：

聯立可得：

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生變化，因此會影響精度。

1.4.3 頻差法

頻差法是將發射接收系統組成閉環循環系統，通過多次測量頻差求得風速。此法精度較高，通過發射、接收閉環循環系統，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，將順風時的頻率設為：

但此法存在抑制環境干擾能力差的缺點。

1.5 光學測風儀

根據工作原理，可將光學測風儀分為頻率測量法、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，根據風場的激光回波信號的頻率變化來分析風速，可以對風場進行精確的三維測量。目前可以采用相干測量（外差測量）和非相干測量（直接測量）兩種方法來實現對多普勒頻移量的測量。

利用多普勒原理制成的光學測風儀有著很多突出的優點：①屬于非接觸測量，激光束的交點就是測量探頭，不會影響流場分布。②測速精度高。光路中的一些參數一經確定，就可以精確地確定多普勒頻率與速度之間的關系，基本上與氣體的其他特性，例如溫度、壓力、密度等參數無關。

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，且風場需有一定的透光性；光學測風儀的光學系統調節比較困難，易受振動等因素的影響；對信號處理器要求較高；設備價值昂貴，不易推廣。

1.5.2 位移測量法

位移測量技術在工程中一般用于多光束位移測風儀，原理是根據一定時間內微粒漂過的距離計算風速，僅分析、對比光強，就可通過檢測風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度，然后確定微粒通過多束平行激光光束的時間，進而測得風速。與上述傳統的激光測風雷達相比，其優點是降低了發射系統的復雜程度，能克服多普勒激光雷達中反射回波的相位畸變；激光波長、模式和穩頻要求高；結構簡單，適應性強，適用于低空風力測量。

近幾年，有研究人員設計出了一種可用于風速測量的CMOS光點位置檢測傳感器。該傳感器利用帶有光源發射的傳感頭將風速、風向信號轉變成電信號檢出，能同時檢測風向和風速，不受環境溫度的影響；具有穩定性好、加工工藝簡單的優點，在大風速的情況下有較高的風速、風向測量靈敏度，但在小風速情況下，風速、風向測量的靈敏度還有待進一步提高。

2 結束語

風速信息是風力發電機控制系統中重要的參考指標，是保證風力發電機高效、安全運行的重要保證。本文從不同角度介紹了國內外比較常用的利用傳感器技術來測量風速的手段，并闡述了其基本原理、優缺點和適用范圍。近幾年，有專家學者提出了用軟測量技術來代替傳統傳感器測量技術，即利用人工神經網絡、支持向量機等算法來實現對風速的預測。該方法可以綜合考慮各種因素對風速的影響，較為準確地估計出實際有效風速，具有很好的發展前景。隨著新材料、新工藝的不斷出現，風速測量技術仍在不斷的進步當中。

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〔編輯：王霞〕