能量自主闭环的智能测风系统的研究

黄 慧，冯相赛，钱峰伟，张宁宁

(1.上海太阳能工程技术研究中心有限公司，上海 200241；2.上海大众汽车有限公司，上海 201805)

0 引言

在环境污染日益严重的今天，风电作为全球公认的可有效缓解气候变化、提高能源安全、促进低碳经济增长的重要途径之一，已得到各国的高度关注[1]。据全球风能理事会(GWEC)的数据显示，2019 年全球陆上风电新增装机容量为53.2 GW，截至2019 年底，全球陆上风电累计装机容量达到621.3 GW；而到2023 年全球风电累计装机容量有望达到900 GW。

风电的高效利用需要精确的风场评估。风速和风向是评价风场的重要因素，二者测量的准确与否将直接影响对风场特性的确定[2]。而风场的特性决定了风能资源的丰富与否，利用测风系统可对风场特性进行评价，并依此来确定风电场的场址。测风系统除了可对风电场选址提供数据支撑外，在风电场的运行过程中，通过对风电场中的风速、风向进行测量，可及时调整风电机组的工作状态，从而可提高风电机组的输出功率。由于风电机组一般安装在环境恶劣的偏远地区，因此测风系统的安全可靠性不仅关系到风电机组的正常运行，还会影响整个风电场的长期、稳定运行[3]。目前国内服役的风电机组大多采用由风向标、风速仪及附属设备构成的机械式测风系统，但此类测风系统的故障率高、维修周期长，从而影响了风电机组的利用率[4]。

当前，国外针对测风系统的研究主要有：美国洛克希德马丁公司(LMCT)发布了WindTracer商用相干多普勒激光雷达测风系统，且美国航空航天局(NASA)已使用该测风系统进行了风切变、晴空湍流等探测，并在丹佛国际机场对飞机涡流进行了建模和预测。法国航空航天研究院(ONERA)通过与法国Leosphere 公司合作，已将激光器应用于WindCube 激光雷达测风系统中，并进行了风场监测和天气预测等外场试验[5]。

国内在测风系统方面已开展与风切变测量、湍流测量、重力波分析、风电等方面相关的技术攻关和试验研究。中国科学技术大学成功研制出世界上首台能同时观测大气退偏振比和大气风场的相干多普勒激光雷达测风系统，该测风系统在测风模式下，可以实现6 km 的水平探测距离。但该测风系统尚不能实现能量自主闭环和根据当地风能资源情况精确预测风力发电机发电量的功能，且暂时不能满足偏远地区的风电场监测需求。

本文仅针对测风系统在风电领域的应用进行分析，介绍了一套可实现能量自主闭环的智能测风系统，以期为风电场选址提供科学依据，并为其建设提供精确的参考数据。

2 能量自主闭环的智能测风系统介绍

2.1 智能测风系统的组成

能量自主闭环的智能测风系统主要由激光雷达测风仪、光伏组件、储能电池、风力发电机、智能控制器及双向逆变能源控制器等辅助设备构成，系统组成如图1 所示。其中，储能电池由锂电池组成，可用于存储风电和光伏电力。

图1 能量自主闭环的智能测风系统的构成Fig.1 Composition of energy-autonomous closed-loop intelligent wind measurement system

2.2 智能测风系统的工作原理

该智能测风系统的工作原理图如图2 所示。

图2 能量自主闭环的智能测风系统的工作原理图Fig.2 Working principle diagram of energy-autonomous closed-loop intelligent wind measurement system

激光雷达测风仪准确采集风速和风向等风能资源参数信息，然后将这些参数信息传递给智能控制器；智能控制器将这些参数信息转换为风力发电机发电的信号后，驱动布置在不同位置的风力发电机依风向转向后进行发电；智能控制器可储存风电转换数据然后形成数据库，即每个风能参数对应的风力发电机发电量数据的数据库，智能控制器对数据库全部数据进行科学处理与遴选。根据遴选数据能够得到进行风电场建设的风能信息，智能控制器根据风力发电机的工作特性，可计算得出风力发电机的理论发电量，以此可判断此处是否适用于建设风电场。而在风电场的实际运行过程中，该智能测风系统的应用可准确的捕捉风向、风速等信息，以便及时调整风力发电机的工作状态，进而提高风力发电机的发电量。

在该智能测风系统的工作过程中，负载用电需求主要是由风力发电机和光伏组件所产生的电力进行供给。双向逆变能源控制器作为将直流电逆变为交流电的常用设备，在智能测风系统中由其进行电力分配，当发电功率低于负载功率时，多余电力会存储在储能电池中。若智能测风系统出现故障，报错信息会传递给风电场的控制中心，以便及时得到维修和维护。

2.3 智能测风系统的功能

该智能测风系统可实现风能信息的精确获取与主动识别、多种能源的综合利用与能量的自主闭环，以及区域性风能资源数据的科学处理与传输。

1)风能信息的精确获取与主动识别。激光雷达测风仪可在复杂工况中精确测量风速、风向等风能资源，并将这些风能资源参数信息发送至智能控制器，然后智能控制器将这些风能资源参数信息转换为风力发电机工作的信号，风力发电机接收到信号后主动调整方向，以便更好地利用风向，从而增加发电量。通过这种模式可以将激光雷达测风仪采集到的风能资源参数信息以更为直接的发电量的形式进行表征。

2)多种能源的综合利用与能量的自主闭环。该智能测风系统的能量能否实现自主闭环是关系到其能否长期可靠工作的基础性问题。该智能测风系统通过双向逆变能源控制器对光伏电力和风电进行统一调节和分配，优先为激光雷达测风仪和智能控制器供电，以保证这些设备的正常运行。由于该智能测风系统不需要外接电源，因此可节省大量电力和建设成本。

3)区域性风能资源数据的科学处理与传输。这一功能可解决风力发电机发电量信息的准确获取问题。该智能测风系统的智能控制器根据大型风力发电机的工作特性，计算得出大型风力发电机的理论发电量，从而可为风电场选址提供科学依据。

具备上述功能的智能测风系统还可以实现：1)系统的24 h能量平均输出功率大于等于170 W，足以满足系统自身的用电需求。2)采用智能测风系统的风力发电机的发电量比不采用智能测风系统的风力发电机的发电量要高。

3 试验论证

3.1 试验设备

为了验证该智能测风系统的实际效果，以微型风力发电机为例，搭建能量自主闭环的智能测风系统。试验设备的实物图如图3 所示，配置参数如表1 所示。

图3 试验设备Fig.3 Experimental equipment

表1 智能测风系统中试验设备的配置参数Table 1 Configuration parameters of test equipment in intelligent wind measurement system

3.2 数据分析

选取2019 年12 月1～30 日期间，相同环境条件下采用能量自主闭环智能测风系统的微型风力发电机(该发电机的发电方式称为主动式发电)的发电量数据和不采用能量自主闭环智能测风系统的微型风力发电机(该发电机的发电方式称为被动式发电)的发电量数据，共选取64 组数据。采用2 种发电方式时的微型风力发电机发电量测量结果如表2 所示。

通过对表2中的64组数据进行分析可以发现，采用能量自主闭环智能测风系统的微型风力发电机的总发电量比不采用能量自主闭环智能测风系统的微型风力发电机的总发电量提高了30%以上。

表2 2 种发电方式时的发电量测量结果Table 2 Measurement results of power generation with two power generation method

该智能测风系统可在能量自主闭环的前提下，更为准确地预测风电场的风能信息，从而提高风力发电机的发电性能。

4 结论

本文介绍了一套可实现能量自主闭环的智能测风系统。在相同环境条件下，采用该智能测风系统的微型风力发电机的总发电量可比不采用该智能测风系统的微型风力发电机的总发电量提高30%以上，且能够精确预测风向，可为风电场的选址提供更为精确的参考数据，为风力发电的进一步推广应用奠定基础。