浅谈超声波测风仪在风力发电场中的应用

浅谈超声波测风仪在风力发电场中的应用

陈达源

 国家电投集团徐闻风力发电有限公司 广东 湛江 524000

摘 要：测风仪作为风力发电场的重要生产设备，其对于生产工作的顺利进行具有十分重要的现实意义，这就需要确保其始终处于良好的工作状态。本文对超声波测风仪进行了一定的论述，分别对其工作原理和应用优势进行了一定的探讨，并结合发电场的工作特点，对超声波测风仪的实际应用进行了分析，有助于推动其应用的不断深化，进而促进风力发电场工作水平的不断提高。

关键词：超声波；测风仪；风力发电场

1 前言

随着社会经济的不断发展，对于能源的需求量逐渐增多，风能作为一种可再生的清洁能源得到了广泛的应用，为社会经济的可持续发展提供了必要的能源保障。风力发电是一个非常复杂的系统，其中涉及到大量的设备，测风仪作为其中的重要组成部分，其对于风力发电系统的高效运行具有十分重要的影响。传统的机械式测风仪经过长时间的工作运行后，会出现不同程度的磨损和轴承老化，这就会影响其正常运行，所测得的数据存在较大的误差，也就无法为后续生产工作提供准确的数据参考，进而影响风力发电工作的高效进行。为了改善测风仪存在的上述问题，通过采用超声波测风仪替换传统的机械式测风仪，能够显著提高测风仪的运行质量，为风力发电机的正常运行提供可靠保障。

2 超声波测风仪

2.1 工作原理

超声波测风仪主要是由4个超声波换能器构成的，其按照两两相对的方式进行排列，相对的换能器之间的间隔设计为200mm，换能器主要负责声波的发射和接收。在超声波测风仪的工作过程中，主要是由其内置的电子控制系统对测量路径和方向进行科学合理的控制选择。当其中1个测量序列运行时，可以分为4个独立的测量流程，依次在4个不同的测量方向上进行快速测量。声波的传播方向即为测量方向，按照顺时针的方向进行旋转测量，由南往北、由西往东、由北往南以及由东往西的顺序进行测量。为了尽可能降低测量误差，取4个方向上独立测量值的平均值作为测量值，并进行更进一步的处理，测量的最快速度约为2.5ms，能够满足测风仪的运行需求。

2.2 应用优势

超声波测风仪在阵风的无惯性测量方面，具有更加明显的优势，能够满足不同场合的测量需求。相较于传统的测风仪，超声波具有更高的精确性，这是由于传统方法测量过程中所采用的温度传感器主要是采用百叶箱进行防护，在某些特定的气候条件下，所测得的温度需要结合周围环境的湿度情况进行校正，这就会引入不同程度的测量误差。同时，由于测风仪的工作环境非常恶劣，导致其会长期处于不利的影响因素中，随着运行时间的增加，机械磨损和轴承老化逐渐加剧，这就会影响测量数据精度。通过采用超声波测风仪就能够有效避免上述情况的发生，进而确保所测得的数据具有足够的精度，能够满足生产运行的需求。

3 超声波测风仪在风力发电场中的具体应用

3.1 应用方法

（1）输出方式切换

1）数字输出

串口通信采用1个RS485/RS422接口，结合现场的运行要求，可以采用全双工或者半双工的操作方式。为了满足测量值的处理需求，其输出可以采用预定义的报文或者用户自己定义的报文格式，例如，WV、WD、虚拟温度、标准差、NMEA等。

2）模拟量输出

为了满足现场的测量需求，模拟输出可以在交插和独立之间进行自由的切换，最多提供3路选择。测量值的具体格式可以采用用户自定义的报文格式，并通过串行接口进行相应的输出。例如，3路不同的信号可以设置为2路输出和1路输入，进而能够满足不同用户的测量运行需求。模拟输出可以转换为相应的模拟电压输入，进而为数据的安全高效传输建立良好的通道。测量系统所输出的数据可以通过相应的串口连接到用户自定义的报文上，进而能够满足不同用户的数据处理需求。

（2）使用环境优势

由于测风仪的工作环境非常恶劣，为了确保其能够始终处于良好的工作状态，这就需要为其增加相应的功能，例如，在降雪和冻雨等温度较低的环境中，通过在传感器臂上增设加热装置，进而能够及时去除不利的影响因素，大大降低由于环境温度较低而引起的一系列故障，为测风仪的正常运行提供可靠保障。

（3）实施方案

由于超声波测风仪可以同时对风速和风向进行测量，通过替换传统的测风仪能够大大提高测量效率，并且为了满足超声波测风仪工作过程中对于能量的需求，还要更换原先的供电电缆。由于超声波测风仪的内部测量率设定为400Hz，为了降低风机的变桨和偏航次数，还需要对其进行系统全面的滤波处理，主要对输出值进行了20s的滑动平均处理。

3.2 技术改造

（1）技术改造步骤

1）为了满足超声波测风仪的安装要求，需要对安装现场进行系统全面的勘察，选择适合的安装工位，尤其是要对其中有特殊要求的设备进行充分的关注，并预留相应的特殊工位。

2）为了确保风机能够始终处于良好的工作状态，需要对安装人员进行系统全面的讲解，尤其是其中技术复杂和容易出现问题的安装位置需要进行详尽的说明，并做好现场设备的保护工作。

3）超声波测风仪安装和线缆设置，为了满足现场的规范安装要求，还需要增设一定数量的特制结构。

4）线缆布置、固定导轨设置以及风机控制系统调试。

（2）应用效果

1）超声波测风仪能够完全替代传统机械测风仪，能够满足现场的测量要求，并且提供了更多的功能，还具有较长的使用寿命。

2）超声波测风仪能够满足风机正常运行的各项需求，为测风的准确性提供了可靠保障。

3）采用超声波测风仪之后，风机的整体运行质量得到了一定的提升，在实际运行过程中的表现为发电量和功率曲线得到了较好的提升。

4）安装过程中工艺规范，器件固定牢固，线缆绑扎美观，并且不会影响机组内原先元件的正常运行。

3.3 应用分析

在风力发电机的工作过程中，风速和风向对风机的切入和切出具有十分重要的影响，并且对于风机的变桨和偏航也具有决定性的影响，这就需要对风速和风向进行准确的测量。在地球旋转、空气对流以及地形的共同影响下，自然风无法进行水平流动，难以避免存在一定的角度。通过对测风仪进行风洞实验，可以得到如下结论：

（1）机械式测风仪在测量水平方向上的风速时，其测量结果具有良好的精度，但是随着垂直风向发生变化，由于3杯设计的局限性，导致其风速的测量精度大大降低，也就无法满足风机的运行要求。

（2）超声波测风仪具有细长的壳体和开放式的4爪，这就大大降低了阴影效应对于风速测量的影响，所测得的风速具有较高的精度，如图1所示。

图1 风洞测试影响图

4 结语

总而言之，测风仪作为风力发电场的重要设备，其对于风机高效运行具有十分重要的现实意义。通过采用超声波测风仪替换传统的机械式测风仪，能够大大提高测量精度，为风机的正常运行提供科学合理的数据支持，进而为企业带来良好的经济效益。本文对超声波测风仪在风力发电场的应用进行了比较深入的分析研究，有助于推动超声波测风仪在更大的范围内进行推广应用，进而促进风力发电工作水平的不断提高，为风力发电的长远发展建立良好的基础。

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