風力發(fā)電機組超聲測風儀陰雨環(huán)境適應性研究

陳鵬偉 曹貝貞 朱志權

上海電氣風電集團股份有限公司 上海 200241

1 研究背景

近年來,新能源發(fā)電技術,尤其是風力發(fā)電技術受到世界各國的普遍重視。2019年,我國新增風力發(fā)電并網(wǎng)裝機容量高達25.74 GW,累積并網(wǎng)裝機容量210.05 GW[1]。在風力發(fā)電市場井噴的背景下,風力發(fā)電機組事故屢見不鮮,業(yè)主從追求機組大功率逐漸轉變?yōu)橹匾曪L力發(fā)電機組的可靠性[2]。超聲測風儀是用于保證風力發(fā)電機組正常運行的“千里眼”,實時監(jiān)測風向、風速,為風力發(fā)電機組的主控系統(tǒng)提供氣象信息。超聲測風儀穩(wěn)定運行有助于功率曲線標定,確保風力發(fā)電機組準確對風,降低葉片載荷,提高風力發(fā)電機組的發(fā)電量。

超聲測風儀作為測量傳感器安裝在風力發(fā)電機組機艙外部,容易受低溫、高溫、雨水、鹽霧、冰凍等外界環(huán)境因素影響[3]。風力發(fā)電機組受海島、高原等各種地形的影響,經(jīng)常面臨高海拔、低溫、大擾流、長期陰雨天氣、沿海、冰凍等多種自然環(huán)境[4],一旦超聲測風儀出現(xiàn)故障,引起數(shù)據(jù)跳變等異常情況,將引起風力發(fā)電機組停機。特別是在我國西南地區(qū),每年6月至9月經(jīng)常出現(xiàn)超聲測風儀信號異常情況,給有效提升超聲測風儀的環(huán)境適應性帶來了挑戰(zhàn),超聲測風儀的可靠性水平需要進一步提高。

2 超聲測風儀工作原理

超聲測風儀通常分為時差式和聲共振式。

時差式超聲測風儀利用超聲時差法原理來實現(xiàn)對風速和風向的測量,工作原理如圖1所示。采用超聲換能器,發(fā)送和接收超聲波在空氣中傳播的時間,與風速建立對應函數(shù)關系,通過計算得到精確的風速和風向[5]。超聲換能器收發(fā)超聲波都是毫秒級的,對風速和風向的波動很敏感,出現(xiàn)風場擾流、陣風、湍流,也會引起部分測風數(shù)據(jù)的波動。

圖1 時差式超聲測風儀工作原理

聲共振式超聲測風儀采用聲共振氣流傳感專利技術來準確測量風速和風向。聲共振氣流傳感技術可以縮小傳感器尺寸,提高產(chǎn)品性能[6]。

聲共振式超聲測風儀工作原理如圖2所示。超聲波由發(fā)射器發(fā)出,在上下反射器之間被反復反射,在極窄的頻段內發(fā)生的所有反射共同構成了一個極強的共振信號。在不到3 ms的時間內,可產(chǎn)生100次反射。

圖2 聲共振式超聲測風儀工作原理

3 超聲測風儀故障分析

超聲測風儀的設計、選型、工藝、運行環(huán)境等是影響自身可靠性的內在深層因素,因此在分析超聲測風儀故障時,產(chǎn)品工程師和可靠性工程師應了解超聲測風儀的設計背景、工作原理和故障機理,這樣才能進行有效的可靠性試驗[7]。

調研故障情況,應當重視超聲測風儀在風電場中數(shù)據(jù)的積累,包括主控故障記錄、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、維護維修運營工單系統(tǒng)數(shù)據(jù)、風云系統(tǒng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場反饋信息等。每個故障件故障現(xiàn)象的詳細描述包括故障時間、故障時風力發(fā)電機組運行情況、環(huán)境條件、故障件照片、現(xiàn)場人員初步推斷的故障原因等。

風電場基礎數(shù)據(jù)量較大,在基礎數(shù)據(jù)基礎上進行數(shù)據(jù)分析,形成報告,對故障分析具有指導意義。經(jīng)收集統(tǒng)計,超聲測風儀現(xiàn)場主要反饋的問題如下:

(1) 中控室后臺顯示風速為0,數(shù)據(jù)卡死,需斷電重啟可編程序控制器后才能恢復;

(2) 供應商對現(xiàn)場返還的故障超聲測風儀檢測后,誤確認超聲測風儀完好,再當備件發(fā)到現(xiàn)場;

(3) 當兩個風速或者風向數(shù)據(jù)同時報出120 s延時故障時,會引起停機;

(4) 一個超聲測風儀重復報出故障后,也會引起停機;

(5) 海上項目中某品牌的超聲測風儀頻繁報8018故障,復位后恢復正常。

超聲測風儀位于風力發(fā)電機葉片后方,該位置存在極強的湍流,當飛蟲、水滴等雜物進入反射腔內或電磁干擾、腐蝕等異常情況發(fā)生時,超聲測風儀會觸發(fā)狀態(tài)錯誤,致使測量失效。據(jù)統(tǒng)計,超聲測風儀出現(xiàn)批量問題的典型風電場多位于西南地區(qū)的山區(qū)[8]。這些山區(qū)都存在海拔高、濕度大、擾流大問題,并且每年有雨季。在每年6月至9月雨季,超聲測風儀經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變等異常情況,異常數(shù)據(jù)造成風力發(fā)電機組無數(shù)據(jù)可用或頻繁偏航、停機,這是超聲測風儀整個行業(yè)存在的問題[9]。初步分析,以下幾種情況可能導致此類現(xiàn)象發(fā)生:

(1) 發(fā)生風速偏差故障,主控系統(tǒng)屏蔽了故障超聲測風儀的數(shù)據(jù);

(2) 超聲測風儀存在測量精度問題,或由于產(chǎn)品質量問題而損壞;

(3) 存在現(xiàn)場風況問題,如擾流、湍流、陣風等,產(chǎn)生影響;

(4) 雨水、凝露、沙塵、昆蟲等附著在超聲測風儀的超聲換能器上,使超聲波傳播路徑發(fā)生偏移;

(5) 線路欠壓,連接松動或未做好接地;

(6) 雷擊,雷電波損毀芯片;

(7) 線路老化,導致測量數(shù)據(jù)偏移,甚至使設備損壞;

(8) 超聲測風儀不適合用于某些環(huán)境惡劣的風電場;

(9) 主控系統(tǒng)控制策略存在優(yōu)化空間。

最終確定超聲測風儀在西南地區(qū)不能成功測量的主要原因是雨滴遮擋了超聲測風儀中的超聲換能器。由于超聲換能器尺寸很小,因此只要有一顆稍大的水珠停留在超聲換能器上,超聲換能器就不能有效將超聲波發(fā)射出去,也不能接收超聲波。超聲波的傳播路徑還會發(fā)生改變,使測量產(chǎn)生波動。

超聲換能器表面掛珠過程如圖3所示。超聲換能器附著一些小水珠,小水珠會越來越多,然后匯聚成大水珠。匯聚成的大水珠體積越來越大,最后會因為重力的作用從超聲換能器上滑落,這一過程周而復始。在觀察掛珠過程的同時,觀察接收到的超聲波功率,發(fā)現(xiàn)隨著掛珠的增加,接收到的超聲波功率越來越低,當水珠快要滑落時,接收到的超聲波幾乎被噪聲覆蓋。

圖3 超聲換能器表面掛珠過程

4 測試驗證

為進一步驗證超聲換能器的表面掛珠過程,筆者搭建雨霧模擬裝置,選擇市場中兩種不同的超聲測風儀進行對比分析,觀察超聲換能器表面掛珠過程對信號傳輸?shù)挠绊慬10]。雨霧模擬裝置利用風洞和淋雨裝置聯(lián)合模擬風與雨霧天氣,淋雨裝置的加壓純凈水通過細小噴嘴形成雨霧,風洞提供恒定風速,并將雨霧吹至超聲測風儀,雨霧在超聲換能器表面形成凝露。通過數(shù)據(jù)采集裝置,記錄超聲測風儀的數(shù)據(jù)變化情況。

經(jīng)過測試觀察,超聲測風儀B的超聲換能器疏水能力較差,比超聲測風儀A的表面雨水附著率高,數(shù)據(jù)波動幅值相對比較大,從而判斷水珠對測風數(shù)據(jù)的波動有明顯影響。測試驗證結果如圖4所示。為盡可能地降低水珠對測風準確性的影響,在超聲測風儀設計和使用階段,提高超聲換能器表面涂層的疏水性能。另一方面,通過軟件濾波算法,最大程度優(yōu)化超聲換能器在掛珠情況下的工作性能,提高超聲測風儀的環(huán)境適應能力,進而提高風力發(fā)電機組的可靠性。

圖4 掛珠過程數(shù)據(jù)波動

5 結束語

超聲測風儀的可靠性是提高風力發(fā)電機組發(fā)電效率的重要因素,通過觀察典型風電場中超聲測風儀頻發(fā)的數(shù)據(jù)跳變等異常現(xiàn)象,分析確認由超聲測風儀中的超聲換能器表面掛珠引起。設計了模擬西南地區(qū)陰雨環(huán)境的測試方法,對超聲測風儀超聲換能器涂層、控制算法進行測試驗證評價,為超聲測風儀的研發(fā)和使用提供了有效的依據(jù),可以避免超聲測風儀故障導致的風力發(fā)電機組發(fā)電量損失、人工和物料浪費等實際問題。