风力发电机组超声测风仪阴雨环境适应性研究

陈鹏伟 曹贝贞 朱志权

上海电气风电集团股份有限公司 上海 200241

1 研究背景

近年来,新能源发电技术,尤其是风力发电技术受到世界各国的普遍重视。2019年,我国新增风力发电并网装机容量高达25.74 GW,累积并网装机容量210.05 GW[1]。在风力发电市场井喷的背景下,风力发电机组事故屡见不鲜,业主从追求机组大功率逐渐转变为重视风力发电机组的可靠性[2]。超声测风仪是用于保证风力发电机组正常运行的“千里眼”,实时监测风向、风速,为风力发电机组的主控系统提供气象信息。超声测风仪稳定运行有助于功率曲线标定,确保风力发电机组准确对风,降低叶片载荷,提高风力发电机组的发电量。

超声测风仪作为测量传感器安装在风力发电机组机舱外部,容易受低温、高温、雨水、盐雾、冰冻等外界环境因素影响[3]。风力发电机组受海岛、高原等各种地形的影响,经常面临高海拔、低温、大扰流、长期阴雨天气、沿海、冰冻等多种自然环境[4],一旦超声测风仪出现故障,引起数据跳变等异常情况,将引起风力发电机组停机。特别是在我国西南地区,每年6月至9月经常出现超声测风仪信号异常情况,给有效提升超声测风仪的环境适应性带来了挑战,超声测风仪的可靠性水平需要进一步提高。

2 超声测风仪工作原理

超声测风仪通常分为时差式和声共振式。

时差式超声测风仪利用超声时差法原理来实现对风速和风向的测量,工作原理如图1所示。采用超声换能器,发送和接收超声波在空气中传播的时间,与风速建立对应函数关系,通过计算得到精确的风速和风向[5]。超声换能器收发超声波都是毫秒级的,对风速和风向的波动很敏感,出现风场扰流、阵风、湍流,也会引起部分测风数据的波动。

图1 时差式超声测风仪工作原理

声共振式超声测风仪采用声共振气流传感专利技术来准确测量风速和风向。声共振气流传感技术可以缩小传感器尺寸,提高产品性能[6]。

声共振式超声测风仪工作原理如图2所示。超声波由发射器发出,在上下反射器之间被反复反射,在极窄的频段内发生的所有反射共同构成了一个极强的共振信号。在不到3 ms的时间内,可产生100次反射。

图2 声共振式超声测风仪工作原理

3 超声测风仪故障分析

超声测风仪的设计、选型、工艺、运行环境等是影响自身可靠性的内在深层因素,因此在分析超声测风仪故障时,产品工程师和可靠性工程师应了解超声测风仪的设计背景、工作原理和故障机理,这样才能进行有效的可靠性试验[7]。

调研故障情况,应当重视超声测风仪在风电场中数据的积累,包括主控故障记录、数据采集与监视控制系统数据、维护维修运营工单系统数据、风云系统数据、现场反馈信息等。每个故障件故障现象的详细描述包括故障时间、故障时风力发电机组运行情况、环境条件、故障件照片、现场人员初步推断的故障原因等。

风电场基础数据量较大,在基础数据基础上进行数据分析,形成报告,对故障分析具有指导意义。经收集统计,超声测风仪现场主要反馈的问题如下:

(1) 中控室后台显示风速为0,数据卡死,需断电重启可编程序控制器后才能恢复;

(2) 供应商对现场返还的故障超声测风仪检测后,误确认超声测风仪完好,再当备件发到现场;

(3) 当两个风速或者风向数据同时报出120 s延时故障时,会引起停机;

(4) 一个超声测风仪重复报出故障后,也会引起停机;

(5) 海上项目中某品牌的超声测风仪频繁报8018故障,复位后恢复正常。

超声测风仪位于风力发电机叶片后方,该位置存在极强的湍流,当飞虫、水滴等杂物进入反射腔内或电磁干扰、腐蚀等异常情况发生时,超声测风仪会触发状态错误,致使测量失效。据统计,超声测风仪出现批量问题的典型风电场多位于西南地区的山区[8]。这些山区都存在海拔高、湿度大、扰流大问题,并且每年有雨季。在每年6月至9月雨季,超声测风仪经常出现数据跳变等异常情况,异常数据造成风力发电机组无数据可用或频繁偏航、停机,这是超声测风仪整个行业存在的问题[9]。初步分析,以下几种情况可能导致此类现象发生:

(1) 发生风速偏差故障,主控系统屏蔽了故障超声测风仪的数据;

(2) 超声测风仪存在测量精度问题,或由于产品质量问题而损坏;

(3) 存在现场风况问题,如扰流、湍流、阵风等,产生影响;

(4) 雨水、凝露、沙尘、昆虫等附着在超声测风仪的超声换能器上,使超声波传播路径发生偏移;

(5) 线路欠压,连接松动或未做好接地;

(6) 雷击,雷电波损毁芯片;

(7) 线路老化,导致测量数据偏移,甚至使设备损坏;

(8) 超声测风仪不适合用于某些环境恶劣的风电场;

(9) 主控系统控制策略存在优化空间。

最终确定超声测风仪在西南地区不能成功测量的主要原因是雨滴遮挡了超声测风仪中的超声换能器。由于超声换能器尺寸很小,因此只要有一颗稍大的水珠停留在超声换能器上,超声换能器就不能有效将超声波发射出去,也不能接收超声波。超声波的传播路径还会发生改变,使测量产生波动。

超声换能器表面挂珠过程如图3所示。超声换能器附着一些小水珠,小水珠会越来越多,然后汇聚成大水珠。汇聚成的大水珠体积越来越大,最后会因为重力的作用从超声换能器上滑落,这一过程周而复始。在观察挂珠过程的同时,观察接收到的超声波功率,发现随着挂珠的增加,接收到的超声波功率越来越低,当水珠快要滑落时,接收到的超声波几乎被噪声覆盖。

图3 超声换能器表面挂珠过程

4 测试验证

为进一步验证超声换能器的表面挂珠过程,笔者搭建雨雾模拟装置,选择市场中两种不同的超声测风仪进行对比分析,观察超声换能器表面挂珠过程对信号传输的影响[10]。雨雾模拟装置利用风洞和淋雨装置联合模拟风与雨雾天气,淋雨装置的加压纯净水通过细小喷嘴形成雨雾,风洞提供恒定风速,并将雨雾吹至超声测风仪,雨雾在超声换能器表面形成凝露。通过数据采集装置,记录超声测风仪的数据变化情况。

经过测试观察,超声测风仪B的超声换能器疏水能力较差,比超声测风仪A的表面雨水附着率高,数据波动幅值相对比较大,从而判断水珠对测风数据的波动有明显影响。测试验证结果如图4所示。为尽可能地降低水珠对测风准确性的影响,在超声测风仪设计和使用阶段,提高超声换能器表面涂层的疏水性能。另一方面,通过软件滤波算法,最大程度优化超声换能器在挂珠情况下的工作性能,提高超声测风仪的环境适应能力,进而提高风力发电机组的可靠性。

图4 挂珠过程数据波动

5 结束语

超声测风仪的可靠性是提高风力发电机组发电效率的重要因素,通过观察典型风电场中超声测风仪频发的数据跳变等异常现象,分析确认由超声测风仪中的超声换能器表面挂珠引起。设计了模拟西南地区阴雨环境的测试方法,对超声测风仪超声换能器涂层、控制算法进行测试验证评价,为超声测风仪的研发和使用提供了有效的依据,可以避免超声测风仪故障导致的风力发电机组发电量损失、人工和物料浪费等实际问题。