风电机组风速风向仪未来发展趋势研究

梁宇飞

（中国大唐集团新能源股份有限公司北京检修分公司，北京 100071）

0 引言

随着风电机组发电技术的不断发展，对风向风速仪的技术要求越来越高。尤其是20世纪90年代变桨距风电机组的出现，为了更好地控制风电机组发电，要求必须准确及时地测出风速，并对风电机组进行相应的控制，从而获取最大发电功率并降低成本。而风能具有较高的不确定性，要想很好地控制风电机组发电，使之跟随风速的变化调节功率，就要求其具有灵敏、功耗低、可维护性好、寿命长等特点。

1 常用风电机组风向风速仪

目前，风电机组常用的风速风向仪有机械式、传统超声波式和超声波共振式，本文详细介绍这三类风向风速仪结构原理和优缺点。

1.1 机械式风向标和风速仪的结构原理和优缺点

目前，国内比较常用的机械式风速仪由风向标和风杯风速仪组成。风向测量是利用一个低惯性的风向标部件作为感应部件，如图1所示。风向标部件随风旋转，带动转轴下端的风向码盘，风向的信号发生装置由格雷码盘、发光管、光敏管等组成。码盘是一个圆形金属薄片，上面有7个不同等分的同心圆，同心圆由内到外分别作2、4、8、16、32、64、128等分，每个相邻等分不是被挖空就是未被挖空，或者说不是透光就是不透光。对应每个同心园的上下面有一组发光管和光敏管，共7组。风标转动时，由于同心圆的透光或不透光，7个光敏管上接收到或接收不到光，7根信号线上或是“1”或是“0”，这就完成了风向到格雷码的转换。

风杯风速仪的感应部分一般由三个或四个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成，杯壳固定在互成120°的三叉型支架或互成90°的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上，如图2所示。风速测量是利用一个低惯性的风杯部件作为感应部件，信号变换电路为霍尔集成电路。在水平风力的驱动下，风杯旋转，在霍尔磁敏元件中感应出脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加，测出频率就可计算出风速。

机械式风向风速仪的优点包括：（1）成本较低、使用方便，并且基本不需要维护；（2）转速与风速基本上为线性关系；（3）抗强风能力强。但是，也存在以下不足：（1）机械装置体积较大，转动惯性会引起迟滞效应，响应速度慢，适合精度要求较低的场合；（2）存在转动部件，容易产生磨损；（3）机械结构可能受到恶劣天气的损害，沙尘和盐雾也会对其造成腐蚀；（4）由于摩擦的存在，低于启动值的风速将不能驱动螺旋桨或者风杯进行旋转。因此，低于启动风速的微风将无法测量；（5）寒冷天气容易结冰需要手动加热，影响风电机组可利用率。

1.2 传统超声波风向风速仪的结构原理和优缺点

传统超声波风向风速仪，如图3所示。由超声波探头、发射接收电路、电源模块、发射接收控制及数据分析处理中心和数据结果显示单元组成。四个超声波探头成90°布置。传统超声波风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。

传统超声波风向风速仪的优点主要包括：

（1）采用非接触式测量，基本上不干扰风电场，无压力损失，对测量环境要求不高，适用范围广；

（2）由于没有机械转动部件，不存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题，使用寿命长，重量轻；

（3）由于没有“机械惯性”，灵敏度高，可捕捉瞬时的风速微小变化，可测出风速中的高频脉动成分，理论上没有测量上限，不要求启动风速；

图1 机械式风向标

图2 机械式风杯风速仪

图3 传统超声波风向风速仪

（4）输出特性为线性，易于实现数字化输出及流量的计算，且时差法克服了声速随流体变化所带来的误差，准确度较高。

主要缺点是：

（1）传统超声波风向风速仪的安装直接影响到计量的准确度，所以对安装要求十分严格；

（2）该测风仪结构较为复杂，故障排除较困难；

（3）尺寸大、不易加热、易结冰，同时易受雷雨、雪、雹、霜、雾、沙尘等障碍物影响。

1.3 超声波共振式风向风速仪的结构原理和优缺点

超声波共振式风向风速仪，如图4所示。利用声波（超声波）在小型腔室内共振来进行测量。基本结构是由被称为上下反射器的一对小平行板组成的设备。在水平方向上，结构是无边界的，空气在反射板之间自由流动。在垂直方向上，空气受到反射板的限制，因而在垂直方向的平均速度可以忽略不计。声波（超声波）由三个分别与压电元件耦合的振动膜片产生和接收。如图4所示，膜片呈三角形分布。在任意时刻，均有一个膜片处于电激励状态。膜片表面产生超声波并向外传播，直至到达上反射器进行近似全反射。由此产生的波前向下运行，到达下反射器并再次反射。超声波继续在反射器之间反弹，直到在空气中能量损失并充分衰减变为不完全反射。实际上，该过程约含有200次反射。

图4 超声波共振式风向风速仪

超声波共振式风向风速仪的运行原理使其具备了超常的规格和众多优点，例如空气流速范围广、使用寿命长、高实用性、小而轻的结构以及出色的灵敏度和准确性。由于没有暴露在外的部件，采用声共振技术可以生产能够在极端天气条件下运行的耐用传感器。该传感器功耗低，而且在会干扰使用其他技术的传感器的环境条件下，声共振技术却能够提供内置的补偿来矫正结果。

2 结论

当前国内所使用的风速仪风向标种类主要有两种，机械式风速风向仪和超声波风速风向仪。其中使用较多的是机械式风速风速仪，尽管这种方法简单可靠，但由于其测量部分具有机械活动部件，在长期暴露于室外的工作环境下容易磨损，寿命有限，维护成本较高。另外，检测精度也不高。而采用超声波风速风向测量系统，精度高，可靠性高，寿命长且维护成本相对较低。而最新的超声波共振式风向风速仪具有众多优点，可靠性要高很多，价格也越来越便宜，未来超声波共振式风向风速仪比占主导位置。

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