测风仪在风力发电场中的应用

大唐新疆清洁能源有限公司，新疆乌鲁木齐 830011

一、引言

风能的利用，主要是用于风力发电，由于风资源的间歇性、随机性、不可控性，控制系统的设计中保证实时、可靠控制是关键。测风系统作为其信号来源，为其变桨控制、偏航控制提供控制信号，作用及其重要。同时，测风信息对于风电场选址、风力发电机机型选择及风电场理论估算也是重要依据。

设备管理是整个风电场管理中的重要环节之一，如何降低非计划停运，保证设备的长期安全运行，将设备治理作为提高安全经济型的切入点也成为近年来风电场关注的焦点。为了提高设备管理水平，保证设备正确无误运行，其测量分析显得极其重要。加之，风电场建设多处于戈壁、荒山等自然条件恶劣环境，为了避免不安全事故的发生，控制系统可靠性要求较高，信号采集的准确与系统稳定运行关系密切，测风仪器设备的管理及数据采集的分析在风电机组运行中很关键。

二、常用测风仪的分类

风速风向仪的总体可分为三类，分别是机械式、传统超声波式和超声波共振式。

机械式测风仪是风电场最常用的一种测风装置，风向传感器用来测量风向，同时一个用来防止结冰的自调节PTC—加热装置和电阻器彼此连接在传感器的端口和外罩之间用来防止静电放电、信号通过光电方式产生[1]。机械式测风仪器，采用测风速与风向分别测量，存在旋转架构，磨损损耗大，密封要求高，受户外环境影响大，定期维护工作量大，人工成本增加。但其价格便宜，构造简单，便于安装受到客户的欢迎[2]。

传统超声波式测风仪器，将超声波技术应用到传感器中，无移动部件及坚固的不绣钢结构使得无需维修与现场校对时进行加热，保证了传感器不会结冰或积雪[3]。 避免了机械损耗，同样受到沙尘、大雪、雨水、霜雾影响测量结果，尺寸大，加热难，温度影响大。

超声波共振式测风仪器风速与风向集中测量，结构小巧，加热方便，环境要求低，可靠性高，但其价格昂贵[4]。

超声波共振式风速风向仪是利用声超声信号在一个较小的腔体内发生共振来测量风速和风向[5]。其采用声共振技术原理，共振效应大幅增强了信噪比，因而能在极小的共振腔内实现高精度的声速测量。

三、浅谈测风仪的故障分析及维护

根据现场运行维护情况，测风仪的故障主要集中在以下几点：

（1）常温测风仪放置在低温高温环境中，风力发电机所处的恶劣环境下，会使得测风仪工作失灵；

（2）测风仪防护等级低，会导致沙尘，微小尘埃进入，使得测风仪失灵，甚至抱死；

（3）暴风、雷雨天气的影响下，测风仪会导致风向标、风速仪损坏；

（4）大风天气会造成捆扎不结实的线路中短；

（5）测风仪如果长期运行在潮湿的环境中，使得测风仪寿命缩短；

（6）结冰天气对于测风仪影响很大，使得测风仪结冰，测风仪传输的数据不准确，直接影响到风力发电机的控制系统中的主动偏航；

（7）测风仪位于机舱外部，大气电磁干扰的作用下，使得测风仪测量不准确。

测风仪出现故障之后，要及时的对于故障进行处理与维修，针对故障问题从测风装置设备设计要求必须满足以下要求：

（1）测风仪要具有防腐蚀能力，表面要经过防腐层处理，保证户外使用的安全可靠的运行；

（2）寒冷地区经常会出现结冰现象，所以测风仪带有自加热功能，热敏电阻随温度的降低而加热升高，随温度的增加而降低；

（3）为了避免风力发电机组的振动，影响测风仪的数据传输，测风仪需抗震性能好；

（4）对于高风速会产生的旋转机械的变形，使得测风仪在高风速不会损坏。超声波与超声波共振式没有移动原件，所以不存在磨损和性能随使用时间而降低的问题；

（5）满足测风仪的防水、防尘、防沙安全保护等级，无论哪种原理结构的，测风仪的防护等级都大于或者等于IP64的防护等级，从而满足了风力发电机组的恶劣环境下的使用要求。

通过测风仪在风电机组实际应用，避免出现测风仪故障，对生产运行提出如下要求：

（1）出现结冰的现象后，应该立即进行清理；

（2）检修人员或者运行人员应根据环境的污秽等级定期对于测风仪进行校正；

（3）充分利用风电机组半年检修、全年检修对测风仪进行维护；

（4）对于风速数据进行对比分析，发现偏大或者偏小时，及时对设备进行维护；

（5）测风系统数值与实际功率不一致时，需要进一步查找设备原因；

（6）风电场投运后，测风装置采集的数据需要运行值班人员定期收集，按照日周月及时备份，为分析问题提供数据支撑。比如：测风塔位置选择是否合理具有代表性、可研报告中湍流强度与实际是否吻合、微观选址报告中风机位置布置是否最理想，通过数据积累可以开展分析自评价工作。测风装置数据准确无误是特别重要，统计管理也是必不可少的。

四、测风系统故障实例分析

某风电场19:30分风机监控机告DT01“风速与功率不匹配”故障（现场风速11m/s，功率600kW，单机容量2000kW）。19:40分，风速逐步增加，办理工作票后，运行人员及消缺人员共同对风机塔基对比分析排查，发电机、逆变器、控制系统等电气设备运行正常，由于照明不足及风速增大，安全性得不到保证，未进行登塔进一步排查故障。通过逐步排查分析认为风速仪故障，需要待风小后登塔作业，确定故障类型。20:30分，消缺人员交代运行人员加强监视，待风速下降后通知再去现场登塔作业。次日07:30，现场风速降低至3m/s，满足作业条件，消缺人员登塔进行巡视，发现其测风仪卡涩，手动拨动不灵敏，更换DT01风机测风仪器后，告警消失。测风系统故障告警，并与其相关设备进行排查，包含信号传输进行查看，对测风仪进行定期与不定期维护，可以大大降低采集信号故障率，也可以提高风力发电机功率曲线匹配度。

五、测风系统在某风电场中的数据分析

1、某风电场装机容量为49.5MW，其安装单机容量为33台的1500kW双馈风机，其1月份发电量及风资源情况如图1所示。

通过图形可知，风资源情况与发电量存在偏差，主要1月13日日发电量约为90万度，其中平均风速低于5m/s，截止到1月20日发电量约为80万度，平均风速约为3m/s，对比分析整理数据，其中1月13日-20日，发电量及平均风速、有效风时数不匹配，存在平均风速过小。进一步排查原因单台风机数据，对比分析风机监控数据及关口表计量发现，有1台风机发电量数据剧增，导致发电量数据成畸形变化，造成全场发电量统计偏差，监控系统存在偏差所致，对其数据按照临近风机进行修正后，发电量仍存在偏差。分析其采集的每台风速数据，有3台风机采样数据比实际平均风速过小所致，几乎为零。通过对监控系统进行维护及存在问题的测风装置进行更换后恢复正常。

2、某风电场单台机组实际曲线如图2所示。其中实际功率曲线处于小风期时功率曲线不达标，大风期间曲线不够平滑，首先通过功率曲线拟合矫正空气密度的影响，最后通过对测风装置进行校零，后进行3个月数据收集继续对比分析，功率曲线基本平滑过渡，仍存在8m/s～9m/s之间低于标准功率曲线，需要继续收集收据且分析查找问题，通过时间校正满足要求。

六、总结

测风仪可实时监测周围环境的风速值、风向值，为控制系统的变桨、偏航提供信号来源，以风力发电机组的安全、可靠、稳定运行为目的，为提高风力发电机组的运行安全提供有力的保证。选择何种形式的测风仪要根据实际的风速等各种外部条件，另外综合多种因素，选择适合自己风场应用的测风仪很是必要，测风仪的生产厂家也在不断的提高测风仪的可靠性，数据传输的准确性，减少维修次数。测风仪出现故障之后要及时的进行处理与维护,保证控制系统的信号来源。测风仪安装方便，只需要在散热支架上面钻孔，即可以安装，但是电气连接必须由电气专业人员进行，必须根据适用的标准规范连接电气设备，供电电压不允许超过上限值。对于测风数据的分析及判断也非常重要，利用多种统计方法进行拟合分析判断，预测提供依据、风电场建设、评估提供专业决策也是后续发展方向。