风速风向传感器在风机控制中的应用与研究

WinBaidu Nhomakorabea Sensor and its Application in the Wind Turbine Control
CHEN Mei1, HONG Fei1, LI Xin1 , XU Zheng-rong 2
( 1.College of Electrical & Automation Engineering , Hefei University of Technology,Hefei,230009, china; 2.College of Information and Computer Engineering,AnHui Agricultural University,HeFei, 230036, china )
V 12 = N α∆ Τ V cos Φ （２） V 34 = N α∆ Τ V sin Φ （３）
V 12 和 V 34 分别代表水平和垂直方向的风速分量。
如图 １ 所示。
c − vx L L= （８） 2 2 c − vx c + vx c + vx L t1= 2 L= （９） 2 c − vx c − vx t1=
Φ = tan (V 34 / V 12 ) （５）
−1
２．３ 超声波测风速
超声波测风速［５］ 是利用超声波在空气中传播速度受 风的影响来测量风速的。若在风场中沿 Ｘ 方向平行放 置两对超声换能器，Ｔ１，Ｔ２ 为发射，Ｒ１，Ｒ２ 为接收， 它们 相距为 Ｌ ， 如图 ２ 所示：
３ 风机控制对风速传感器的要求
图 ４ 三杯式风速传感器测风速电路 图 ３ 变速风力发电机组原理图
世界风电技术的发展趋势是提高风电系统的效率、 可靠性和降低成本。而解决以上问题的关键就是风机 的发电控制。发电运行控制主要有功率或风速的控制 调节， ２ ０ 世纪 ８ ０ 年代中期进入市场的定桨距风力发电 机组， 主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的 安全性与可靠性问题。２ ０ 世纪 ９ ０ 年代以后， 变距风力 发电机组进入市场。此种机组起动时可对转速进行控
２．２ 热线热膜测风速
热式风速风向传感器表面经过加热， 中心温度高于 环境一定数值， 在风吹过传感器表面时， 会对表面不均 匀冷却。传感器表面在风向的上下游产生一个温度梯 度［１，７］。通过测量中心对称点处的温差来决定风速的大 小。基于热偶的二维风速风向传感器采用多晶硅加热 元件以及热电堆作为测温元件。通过测量水平和垂直 方向上的对称温差 ∆ Τ x 和 ∆ Τ y 能够同时得到风速和风 向信息。其测量原理为 Ｋｉｎｇ 氏定律 ［９］ ：
Abstract: The requirement of the wind power generation on the wind speed measurement is analyzed in the paper. It is pointed out that the three-cup wind speed sensor is more suitable for the control of wind turbines. And a new way of data-processing for wind speed is proposed, make it better for wind power control. Key words: wind speed and direction; wind power generation; three-cup wind speed sensor; forecast of the wind speed
《自 动 化 技 术 与 应 用 》２ ０ ０ ８ 年 第 ２ ７ 卷 第 ４ 期
工业控制与应用
Industry Control and Applications
风速风向传感器在风机控制中的应用与研究
陈 梅 １， 洪 飞 １， 李 鑫 １， 许正荣 ２
（１．合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 ２３０００９； ２．安徽农业大学 信息与计算机学院， 安徽 合肥 ２３００３６）
２ 各种风速传感器测速的比较
２．１ 毕托管测风速
收稿日期：２００７－０７－３０ 38 | Techniques of Automation & Applications
工业控制与应用
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《 自 动 化 技 术 与 应 用 》２ ０ ０ ８ 年 第 ２ ７ 卷 第 ４ 期
２．４ 机械式传感器测风速
风向感应器为单板风标。当风标转动时带动七位 格雷码盘。由于格雷码盘的每一位上面都装有发光二 极管， 所以在风向变化时， 装在码盘下面的光敏三极管 就处于导通或截止状态。通过输出一七位格雷码数字 得到相应的风向， 分辨率为 ２．８１２５°。 风速传感器有杯形和翼形两种［６］ 。风杯风速计感应 部分一般由三个半球形或抛物锥形空心杯壳组成， 杯壳 固定在互成 １ ２ ０°的三叉型支架上。杯的凹面顺着一个 方向排列， 整个横臂架固定在一根垂直的旋转轴上。在 风力作用下风杯受到扭力矩的作用而开始旋转， 它的转 速和风速成一定的关系：
B0 ， （１５） 2N 且当 u 较大时， n 和 u 的线性关系更为明显。当风 umin =
杯转动时， 通过多齿转盘下面的光敏三极管状态就能得 到与风杯转速成正比的频率信号， 经换算即可得出实际 风速值。
Techniques of Automation & Applications | 39
图 １ 温差测量风速风向示意图
理， 最终可得到总的风速、风向。
∆ Τ 为芯片高于环境的设定温度值； α 为热电偶的
塞贝克系数， Ｎ 为组成每个热堆的串联热电偶数；Φ为 实际风向与参考 Ｘ 轴之间的夹角， 则所测风速、风向为 （４）、 （５）所示。 （４） V = V12 2 + V 34 2
毕托管是一种国际上通用的风速测试方法。它的 作用是将风速转变为压差， 通过测量总压静压之差求得 风速。原理［３］ 如下： 在常温压下毕托管有：
V =k
2 ∆P （１） ρ
数， ρ 是空气密度， V 是风速。
（１）式中 ∆P 是毕托管所取得的压差， k 为毕托管系
１ 引言
风力发电自上世纪八九十年代以来取得了飞速的 发展。然而风能发电比其他能源发电的成本高， 其中一 个重要因素就是风力发电的稳定性问题。由于风能具 有很高的不确定性， 所以要想很好的控制风机发电， 使 之跟随风的变化而获取最大发电功率从而降低成本， 就 必须准确及时地测出风向和风速， 并对风机进行相应地 控制。目前测量风速风向的方法有很多， 本文将通过比 较各种传感器的原理与技术特点并进行详细分析， 选择 一种比较适合风力发电控制的测速方法， 并研究其在风 机控制领域中的应用。
B1n + B0 = 2 Nu 2 − Dun （１４） B1n 和 B0 分别是风杯风速计运转时的静摩擦力矩
和动摩擦力矩。风杯风速计存在着一个启动风速：
t1= t1=
c 2 − vy 2 − v x L （６） c2 − v2 c 2 − vy 2 + vx （７） L c2 − v2
若距离 Ｌ 远大于声波波长， 则声波可简化为平面 波。 则（６）、 （７）式可简化为：
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２．５ 各种风速传感器特点总结
毕托管的输出与风速的平方成正比， 测量较高风速 时精确且分辨力好， 但当风速较低时， 毕托管上产生的 压差小， 难以精确测量。使用时全压孔需正对风向， 而 且由于其静压孔尺寸较小， 仪器本身对流场会产生扰 动。基 于 热 偶 的 二 维 风 速 传 感 器 的 测 速 范 围 为 ０ － ２３ｍ／ｓ， 风速分辨率达到 １．５ ｍ／ｓ，风速的最大误差为 ０．５ ｍ／ｓ。传感器的反应时间为 ３－５ 秒，整个功率损耗 约为 ５ ０ ０ ｍ Ｗ 。由于采用基于三角函数法的风向测量 受到风速大小的限制， 当风速过大时， 传感器单端输出 信号会饱和［２，７］ ， 误差较大。超声波测风速没有机械转 动部件， 不存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题， 也没 有“机械惯性” ， 可捕捉瞬时风速变化。可测出风速中 的高频脉动成分。从表 １ 中可以清楚地看到各种风速 传感器的特点。
n=
2 Nu 2 − B0 2 Nu ≈ （１１） B1 + Du D 1 N = ρAr αm （１２ ） 2 D = 2 πr 2 ρAbm （１３）
由（８） 式与（９） 式， 得：
1 1 1 vx = L − （１０） 2 t1 t 2
因此， 只要测出某方向上顺逆风条件下， 从向发射 器施加激励脉冲起， 到接收器收到第一个脉冲时超声传 播时间， 就可得到该方向上的风速。再根据矢量合成原
图 ２ 风场中的超声换能器
设无风时声速为 Ｃ ， 沿 Ｘ 方向上的风速分量为 vx ， 沿 Ｘ 轴正交面上的分量是 vy ， 则可以导出声波同相面 按正反方向的传播时间分别为：
上式中 u 为风速， ρ 为空气密度，Ａ 为风杯的横截面 积， r 为杯架的旋转半径， αm 和 bm 是由风杯本身所决 定的常数。当外界风速恒定合力矩为零时， 即：
摘 要：研究了多种风速传感器测量风速的原理，比较了各种风速传感器测风速的特点，分析了风力发电对风速测量的要求。 并且通 过对风杯式风速计测风速的误差分析，得出利用三杯式风速传感器是比较适用于控制风力发电机发电的。 并且提出了一种对 风速数据处理的新方法，使其更好的用于风力发电的控制。 对风力发电控制技术的发展具有重要意义。 关键词：风速风向；风力发电；三杯式风速传感器；风速预测 中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－７２４１（２００８）０４－００３８－０４
表 １ 各种风速传感器比较
４ 风速传感器在风机控制中的应用
如前所述， 变速风力发电机组是把风速信号作为控 制系统的输入。这就对风速的测量提出了更高的要求。 三杯式风速传感器测风速在风机控制中的应用硬件电 路图如图 ４ 所示。该电路将传感器测出的频率信号转化 成电压信号， 送到控制单元， 经过一系列处理从而控制 风机跟随风速得到最大功率。
制， 并网后可对功率进行控制， 使风机的起动性能和功 率输出特性都有显著改善。由于变距风力发电机组在 额定风速以下运行时的效果仍不理想， 到了 ２ ０ 世纪 ９ ０ 年代中期， 基于变桨距技术的各种变速风力发电机组开 始进入市场［６］ 。变速与定速风力发电机组控制系统的根 本区别在于， 变速风力发电机组是把风速信号作为控制 系统的输入变量来进行转速和功率控制的，如图 ３ 所示。 变速变桨距控制的特点是： 低于额定风速时， 能跟 踪最佳功率曲线， 使风力发电机组具有最高的风能转换 效率； 高于额定风速时， 增加了传动系统的柔性， 使功率 输出更加稳定， 特别是解决了高次谐波与功率因素等问 题后， 达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目 的。目前世界上风力发电机可利用风速范围在 ３ － ２ ５ ｍ ／ ｓ 左右，所以对测速传感器测量范围至少要大于 ３０ｍ／ｓ； 而风速变化要求传感器反应时间不能低于 １ ｓ ；另外还要 求其功耗低， 可维护性好， 寿命长等。