风力发电系统中的风速测量技术

雷鹏+刘文红+张帅+邱天爽

摘 要：风速测量在风力发电系统中影响着风力机组的转速和功率的控制，风速值的准确性将影响整个风机的效率。首先介绍了几种在风力发电系统中常用的风速测量仪，简述了其原理、结构特点，然后分析了各种风速测量方法的优缺点及适用范围，最后展望了软测量技术在风力发电系统风速测量中的应用前景。

关键词：风力发电；风速测量；声学测风仪；传感器

中图分类号：TM614 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.009

风力发电机是一种将风能转化为电能的能量转换装置，并通过采集外部风速、风向等信息来实时调控发电机的转速和输出功率。因此，风速值是否准确直接关系到风力发电机能否平稳、高效地输出电能。

风速测量仪必须满足一定的技术标准，以保证测量数据的准确性。当今主流风机的有效利用风力范围为3～25 m/s，因此测量仪的最大准确测量值应大于25. 由于风力的多变性、不确定性，因此，测量仪的测量值应具有足够的实时性，传感器的反应时间不能低于1 s。同时，测量仪应该具有足够的机械强度，以尽可能地减少环境对其测量精度的影响。此外，还要考虑测量仪的经济性、寿命、后期维护费用等问题。在风力发电系统中，根据传感器测量原理的不同，可以分为机械测风仪、动压式测风仪、热电测风仪、声学测风仪和光学测风仪等。

1 测风仪

1.1 机械测风仪

机械测风仪是一种应用最广泛、技术较成熟的风速测量仪，主要有风杯式风速仪和旋桨式风速仪两大类。机械式测风仪的特点是：①结构简单、故障率低；②环境适应能力强，适用于不同气候要求；③测量原理简单，受其他外界因素影响较小；④成本较低，易于维护。凭借这些优点，机械测风仪在风速测量领域占有主导地位。

机械式测风仪也仍存较多不足之处，主要有：①低风速时测量误差较大；②由于机械转动存在惯性，测量数据滞后，响应速度减缓；③转动部件存在机械损耗，部件易老化。针对这些问题，我们通过提高机械测风仪的机械强度、采用新材料来降低迟滞效应，增强转动部件密封性来防止老化等措施提高机械测风仪的测量性能。

1.2 动压式测风仪

动压式测风仪中的皮托管是测量流体点速度的装置，特别适用于与空气动力和风力有关领域的气流速度测量。皮托管用软胶管与微压计相连，就组成皮托管微压计测量系统。通过伯努利方程，很容易将获得的压差转化为风速。

有研究者设计了基于风载荷测量的新型多维力风速传感器，采用应变片测量弹性梁的应变，由此测得风载荷，进而实现对风速和风向的测量。这种传感器没有机械运动构件，受风体还可以起到保护传感器敏感结构的作用，而应变片能在较为恶劣的环境下使用，这就使这种风速传感器具有结构简单、性能可靠和环境适应性强的特点。

还有研究者以微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技术为基础设计了一种微型悬板式风速传感器，通过测量输出电容变化量来检测风速，温度效应小。

以上两种新式动压式测量有着各自独特的优点，但都存在惯性导致的测量滞后。如何在设计中消除这些误差，仍需通过大量的试验加以改进。

1.3 热电测风仪

热电测风仪按其原理可分为恒流式、恒温式和恒温差式热电测风仪，具有使用方便、操作简单、响应迅速、信号容易采集、数据处理简便、低风速时灵敏度较高等特点。但同时也存在许多问题，例如热线制作要求高；机械强度降低，易断裂；感应部分易受腐蚀，后期维护成本增加；受被测介质压力、温度和物性的影响，变工况情况下超差严重等。

对于热电测风仪的各种问题，许多专家学者通过更换新式材料、优化数学模型和结合计算机技术等方式，大大提高了热电测风仪的测量精度和利用范围。

1.4 声学测风仪

声学测量中，主要使用超声波进行测量。超声波风速仪因具有占用空间小、无机械活动部件、维护费用低、量程广、采集数据实时性好和数据精度较高等优点，在世界范围内得到了广泛的应用。根据不同的设计结构和计算方法，超声波风速仪测量方法主要有时差法、相差法和频差法。

1.4.1 时差法

时差法是利用超声波在顺风和逆风情况下产生的时间差来计算得出风速，如图1所示。

设超声波在空气中的传播速度为vs，风速大小为vw，风向与两个换能器A与B之间的连线呈平行状态，两者距离为d，超声波在顺风和逆风情况下的路径传播时间分别为tAB和tBA，则：

.

时间t是可以直接测得的量，根据上式选择合适的算法即

可获得风速信息。但由于该方法的中t值很小，所以微小的偏差所产生的测量误差也会很大，而且该方法中必须考虑到超声波在空气中的衰减。

1.4.2 相位法

相位法是通过测量超声波在顺风和逆风时产生的相位差来获得风速信息。这种方法很好地避免了测量时间差这一微小量，从而可以提高精度。以图1为例，设声波的角频率为 ，则顺风时的相位为：

逆风时的相位为：

联立可得：

由上式可以看出，相位法虽然避免了对微小量的测量，但是同样会引入超声波速度。由于超声波在空气中会衰减产生变化，因此会影响精度。

1.4.3 频差法

频差法是将发射接收系统组成闭环循环系统，通过多次测量频差求得风速。此法精度较高，通过发射、接收闭环循环系统，消除了超声波传播速度的影响，降低了温度的影响。以图1为例，将顺风时的频率设为：

但此法存在抑制环境干扰能力差的缺点。

1.5 光学测风仪

根据工作原理，可将光学测风仪分为频率测量法、位移测量法和全场测量法。

1.5.1 频率测量法

频率测量法是利用光波的多普勒效应，根据风场的激光回波信号的频率变化来分析风速，可以对风场进行精确的三维测量。目前可以采用相干测量（外差测量）和非相干测量（直接测量）两种方法来实现对多普勒频移量的测量。

利用多普勒原理制成的光学测风仪有着很多突出的优点：①属于非接触测量，激光束的交点就是测量探头，不会影响流场分布。②测速精度高。光路中的一些参数一经确定，就可以精确地确定多普勒频率与速度之间的关系，基本上与气体的其他特性，例如温度、压力、密度等参数无关。

但使用该方法也有很多需要解决的问题，例如激光多普勒测风仪要求在流体中存在散射粒子，必须考虑粒子的跟随性、粒子散射光的清晰度等问题，且风场需有一定的透光性；光学测风仪的光学系统调节比较困难，易受振动等因素的影响；对信号处理器要求较高；设备价值昂贵，不易推广。

1.5.2 位移测量法

位移测量技术在工程中一般用于多光束位移测风仪，原理是根据一定时间内微粒漂过的距离计算风速，仅分析、对比光强，就可通过检测风场中微粒散射的激光能量，采集激光光束方向上气溶胶散射回来的光信号强度，然后确定微粒通过多束平行激光光束的时间，进而测得风速。与上述传统的激光测风雷达相比，其优点是降低了发射系统的复杂程度，能克服多普勒激光雷达中反射回波的相位畸变；激光波长、模式和稳频要求高；结构简单，适应性强，适用于低空风力测量。

近几年，有研究人员设计出了一种可用于风速测量的CMOS光点位置检测传感器。该传感器利用带有光源发射的传感头将风速、风向信号转变成电信号检出，能同时检测风向和风速，不受环境温度的影响；具有稳定性好、加工工艺简单的优点，在大风速的情况下有较高的风速、风向测量灵敏度，但在小风速情况下，风速、风向测量的灵敏度还有待进一步提高。

2 结束语

风速信息是风力发电机控制系统中重要的参考指标，是保证风力发电机高效、安全运行的重要保证。本文从不同角度介绍了国内外比较常用的利用传感器技术来测量风速的手段，并阐述了其基本原理、优缺点和适用范围。近几年，有专家学者提出了用软测量技术来代替传统传感器测量技术，即利用人工神经网络、支持向量机等算法来实现对风速的预测。该方法可以综合考虑各种因素对风速的影响，较为准确地估计出实际有效风速，具有很好的发展前景。随着新材料、新工艺的不断出现，风速测量技术仍在不断的进步当中。

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〔编辑：王霞〕