风速计安装间距对其测量偏差的影响研究

袁带英

（四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川德阳 618000）

众所周知，风速的准确性直接关系到风力发电机组功率的输出，而风速数据直接从位于机舱顶部的风速计获取[1]，为保证风速数据的准确性，风力发电机组气象架的同一高度处水平安装2个风速计，机组在运行过程中，控制系统同时读取2个风速计的数据，然后取其均值来实现对机组的控制，同时控制系统也将获取的风速数据进行偏差检查，检查算法如下：

vi为某时刻第一个风速计测量值，m/s；v′i为某时刻第二个风速计测量值，m/s。

xi为某时刻2个风速计测量值的偏差值，m/s，xi=vi-v′i，其均方根为：

要求xrms<0.5 m/s

本文以某风场四台1.5 MW风机（A号、B号、C号、D号）作为研究对象，选取2012-02-21和2012-02-22所采集的风速数据作为样本进行研究，风速计在中风速段（8~16 m/s）和大风速段（16~25 m/s）某10 min（600 s）内偏差值，如图1所示。

由表1可知，任意一台风力发电机组上的2个风速计，在风速较小时偏差较小，均在设计要求范围内；当风速大于8 m/s时，其偏差较大，均超出设计要求范围。这说明风速计均工作正常，不存在一对风速计中其中一个损坏的原因，这就排除了风速计质量问题。

基于上述问题，本文从风速计自身与风力发电机组的角度进行分析，分析均认为风速计能够正常工作。

1 风速计

该风场所使用的测风仪器为风杯风速计，测量精度为±0.5 m/s或测量值的±2%。

图1 4台风机某10 min（600 s）内偏差值离散点Fig.1 Discrete points of deviation for 4 wind turbines in an interval of 10 min（600 s）

风杯风速计是最常用、使用历史最长的一种。它成本较低，使用方便，但也存在着不少问题，如由它本身的动力特性所决定的过高效应，以及仪器支架和安装支架对测量精度的影响等，这些问题在气候学研究和应用中并不严重，风杯风速计测风误差一直是研究风杯风速计的学者所关注的焦点。在各种误差中，最早为人们所认识的是风杯风速计的“过高效应”，又称为u-error，来源于旋转式风速计本身的非线性:风速增大时比在风速减小时响应更快，造成平均风速测量值偏大。除了由风杯风速计本身和风场条件引起的误差外，还有由测量条件引起的误差。如风杯风速计架设铁塔结构对测风的影响等[2]。

表1 4台风机风速计偏差（均方根）统计表（任取10 min统计）Tab.1 Anemometer deviation（rms）statistics for 4 wind turbines（statistics in any interval of 10 min）

由此可知，风杯风速计自身的测量误差较大，为提高测量精度，目前，大多数风力发电机组配备的是超声波风速风向仪，以提高测量风速的精度及传输数据的速度[3-5]。

2 风力发电机组叶根湍流

多数学者认为，湍流的发生与小尺度漩涡的形成和发展有关。其产生的原因为：根据流动稳定性理论，当雷诺数超过某个值时，层流是不稳定的。在管壁面近处，随机地出现一些U形涡环，这些涡环在运动过程中不断变形、扭曲、破裂。当涡环破裂时，壁面附近的流体一阵阵地喷射进入主流区，称为喷射运动；而主流区的流体也侵入壁面区，发生所谓扫掠运动。这种垂直于壁面的运动使得更多的涡环、漩涡不断产生。

另一方面，固体壁面总是粗糙不平的，在粗糙元的尖角处也不断地出现漩涡[6]。漩涡形成之后就会泻入下游，在向下游运动的过程中，漩涡是继续加强还是逐渐衰减，这与流体受到的惯性力及粘性力的大小有关。如果惯性力大于黏性力，则漩涡不断加强，数量不断增多，流态表现为湍流。如果惯性力小于粘性力，则漩涡不断衰减直至消失，流态表现为层流。正因为如此，表征惯性力与黏性力比值的雷诺数就成了判别流态的特征参数[7]。

雷诺数的定义

式（2）中，d为圆柱体直径；U为来流速度（轮毂中心高度的年平均风速7.72 m/s）；v是流体黏度（该风场气温约20℃空气的运动黏度v=15×10-6m2/s，考虑风场温度较城区温度低，空气的运动黏度按10℃选取，空气的运动粘度v=14.1×10-6m2/s）。

当气流流经近似圆柱形叶根时，叶根附近的绕流与绕流的雷诺数有关，由于叶根圆柱直径d、气流粘度v均为定值，所以叶根附近绕流的雷诺数只与风速有关。风速计所采集到的某时段平均风速数据如表2所示。

表2 4台风机风速（10 min平均值）统计表Tab.2 Wind speed statistics for 4 wind turbines（10 min average）

通过计算可知叶根后部绕流的雷诺数Re如表3所示。

表3 4台风机雷诺数（平均值）统计表Tab.3 Re（average）statistics for 4 wind turbines

由表3可知，叶根后部绕流的分离点均在下游面（如图1所示），分离区比较小，且分离区由风速段（0～8 m/s）到风速段（16～25 m/s）逐渐变窄。

在叶片旋转过程中，叶片后部由于边界层的分离形成的分离区（回流区或尾流区）相对较小[6]，（分离区将产生许多大大小小的漩涡，流体质点互相混掺），而分离区外部的区域的流体流向及速度梯度趋势均与叶片前部一致，因此，叶片的旋转造成，叶片后部的下游面内气流的湍流出现交替变化。

叶片旋转到垂直位置即气象架前端时，气流在流经叶根后在叶根后方形成湍流，如图2所示。

图2 叶根后部湍流示意图Fig.2 diagram of the turbulence rear blade root

由于机舱罩壳气象架上的风杯式风速计间隔约1 m，（如图3所示）。

图3 两风速计安装位置示意图Fig.3 diagram of installation locations for two anemometers

由表3可知，叶片后部气流的分离区（湍流影响区）较小，并且随风速的增大变得更加狭窄。考虑湍流影响区时，当风速在0～8 m/s范围，叶根后部湍流范围最宽，两个风速计均在该湍流的影响区内；当风速在8～16 m/s范围，叶根后部湍流范围变窄，两个风速计可能不同时在该湍流的影响区内；当风速在16～25 m/s范围，叶根后部湍流范围最窄，两个风速计不同时在该湍流的影响区内；随着风轮的转动，风轮叶片每次转过机舱罩壳顶部区域，都将导致相隔较远的两个风速计不能很快同时进入相同的流体状态，从而产生读数偏差较大，若两个风速计能够很快的同时进入或脱离湍流的影响区域，则两风速计读数偏差值较小，若两个风速计不能同时进入或脱离湍流的影响区域，则风速计读数偏差值较大。同时，风速计在湍流影响区内和在非湍流影响区所测量的风速值也不相同。

3 风速相关性分析

通常把风的作用分为平均风和脉动风两部分。平均风周期远高于一般结构的自振周期，作用性质相当于静力，脉动风反映了大气边界层的紊乱性和随机性，其强度随机变化。在实践中一般将脉动风近似为各态历经过程，这样可以方便地得到其概率特性参数，如风速谱和空间相关性等[8-9]。

脉动风是一种随机过程，具有紊乱性和随机性的特点，其大小和强度随机变化[10-11]。在紊流风场中，各点的风速和风向不可能是完全同步，甚至是可能完全不相关，这也就是脉动风的空间相关性。脉动风在不同时空点上的相关程度可以分别在时域中用相关函数和频域中用相干函数进行描述[6]。

图4和5图分别给出了某地区不同高度处实测的纵向脉动风速的自相关系数和互相关系数。

图中ρμ′μ′（τ）：自相关系数，ρμ′μ′（z1，z2，τ）：互相关系数，τ：时间增量。

图4 不同高度处纵向脉动风速的自相关系数Fig.4 Autocorrelation coefficient of the longitudinal fluctuating wind speed at different heights

图5 不同高度处纵向脉动风速的竖向互相关系数Fig.5 Vertical cross-correlation coefficient of the longitudinal fluctuating wind speed at different heights

图4显示，纵向脉动风速的自相关系数随时间滞后的增加而呈指数衰减。图5显示，纵向脉动风速的竖向互相关系数随着竖向间距的增大而逐渐减小。一般而言，脉动风速的自相关性和互相关性均与平均风速大小、空间两点间距、离地高度、地表面粗糙长度和风结构等因素有关，平均风速越大，离地高度越高，自相关性越好，地表面粗糙长度越大，自相关性越差。随着空间两点间距的增大，互相关性变差[6]。

风速相关性系数随测点距离的增加而减小。特别是在台风气候中，相关性系数随测点距离的增加减小迅速[12]。

4 解决办法

为了尽量减少叶根后部湍流以及测量点距离对风速计测量偏差的影响，在综合考虑风速计外形尺寸、安装空间要求以及不影响其正常工作的基础上，将风速计的安装位置调整为：两个风速计安装在气象架同侧，且间距由1000 mm缩短至250 mm，具体方案如图6所示。

图6 改造后得风速计安装位置示意图Fig.6 diagram of the anemometer installation locations after modificaiton

表4是四台风机（A号、B号、C号、D号）在风速计安装间距改造后，某10 min内偏差值统计。

经风场实际检验，运行效果良好，两风速计测量结果偏差大大降低，测量结果准确性明显提高。

5 结语

通过流体力学的分析可知，叶根对来流风具有一定的扰动作用，当风吹过叶根时，在其后方的区域产生湍流，且这个湍流的影响区随风速的大小而变化。位于叶根后面、机舱顶上且相距一定距离的两风速计受到湍流影响，其测量结果偏差较大。风速具有空间相关性，其相关性随测点距离的增加而减小，即两风速计的安装距离越大，测量结果偏差也越大。因此，缩短两风速计间的安装间距，可使两风速计能以较快速度同时处于相同的流体运动状态中，降低不同流体状态对测量结果的影响，同时可提高两测点间风速的空间相关性，从而降低测量结果间的偏差，为风力发电机组提供更加准确的参考风速，提高机组的运行效率。

表4 改造后4台风机风速计偏差统计表（任取10 min均方根统计）Tab.4 Anemometer deviation statistics of 4 wind turbines after modification（based on the rms statistics of any interval of 10 min）

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