黃 慧，馮相賽，錢峰偉，張寧寧

(1.上海太陽能工程技術研究中心有限公司，上海 200241；2.上海大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

在環(huán)境污染日益嚴重的今天，風電作為全球公認的可有效緩解氣候變化、提高能源安全、促進低碳經(jīng)濟增長的重要途徑之一，已得到各國的高度關注[1]。據(jù)全球風能理事會(GWEC)的數(shù)據(jù)顯示，2019 年全球陸上風電新增裝機容量為53.2 GW，截至2019 年底，全球陸上風電累計裝機容量達到621.3 GW；而到2023 年全球風電累計裝機容量有望達到900 GW。

風電的高效利用需要精確的風場評估。風速和風向是評價風場的重要因素，二者測量的準確與否將直接影響對風場特性的確定[2]。而風場的特性決定了風能資源的豐富與否，利用測風系統(tǒng)可對風場特性進行評價，并依此來確定風電場的場址。測風系統(tǒng)除了可對風電場選址提供數(shù)據(jù)支撐外，在風電場的運行過程中，通過對風電場中的風速、風向進行測量，可及時調(diào)整風電機組的工作狀態(tài)，從而可提高風電機組的輸出功率。由于風電機組一般安裝在環(huán)境惡劣的偏遠地區(qū)，因此測風系統(tǒng)的安全可靠性不僅關系到風電機組的正常運行，還會影響整個風電場的長期、穩(wěn)定運行[3]。目前國內(nèi)服役的風電機組大多采用由風向標、風速儀及附屬設備構成的機械式測風系統(tǒng)，但此類測風系統(tǒng)的故障率高、維修周期長，從而影響了風電機組的利用率[4]。

當前，國外針對測風系統(tǒng)的研究主要有：美國洛克希德馬丁公司(LMCT)發(fā)布了WindTracer商用相干多普勒激光雷達測風系統(tǒng)，且美國航空航天局(NASA)已使用該測風系統(tǒng)進行了風切變、晴空湍流等探測，并在丹佛國際機場對飛機渦流進行了建模和預測。法國航空航天研究院(ONERA)通過與法國Leosphere 公司合作，已將激光器應用于WindCube 激光雷達測風系統(tǒng)中，并進行了風場監(jiān)測和天氣預測等外場試驗[5]。

國內(nèi)在測風系統(tǒng)方面已開展與風切變測量、湍流測量、重力波分析、風電等方面相關的技術攻關和試驗研究。中國科學技術大學成功研制出世界上首臺能同時觀測大氣退偏振比和大氣風場的相干多普勒激光雷達測風系統(tǒng)，該測風系統(tǒng)在測風模式下，可以實現(xiàn)6 km 的水平探測距離。但該測風系統(tǒng)尚不能實現(xiàn)能量自主閉環(huán)和根據(jù)當?shù)仫L能資源情況精確預測風力發(fā)電機發(fā)電量的功能，且暫時不能滿足偏遠地區(qū)的風電場監(jiān)測需求。

本文僅針對測風系統(tǒng)在風電領域的應用進行分析，介紹了一套可實現(xiàn)能量自主閉環(huán)的智能測風系統(tǒng)，以期為風電場選址提供科學依據(jù)，并為其建設提供精確的參考數(shù)據(jù)。

2 能量自主閉環(huán)的智能測風系統(tǒng)介紹

2.1 智能測風系統(tǒng)的組成

能量自主閉環(huán)的智能測風系統(tǒng)主要由激光雷達測風儀、光伏組件、儲能電池、風力發(fā)電機、智能控制器及雙向逆變能源控制器等輔助設備構成，系統(tǒng)組成如圖1 所示。其中，儲能電池由鋰電池組成，可用于存儲風電和光伏電力。

圖1 能量自主閉環(huán)的智能測風系統(tǒng)的構成Fig.1 Composition of energy-autonomous closed-loop intelligent wind measurement system

2.2 智能測風系統(tǒng)的工作原理

該智能測風系統(tǒng)的工作原理圖如圖2 所示。

圖2 能量自主閉環(huán)的智能測風系統(tǒng)的工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of energy-autonomous closed-loop intelligent wind measurement system

激光雷達測風儀準確采集風速和風向等風能資源參數(shù)信息，然后將這些參數(shù)信息傳遞給智能控制器；智能控制器將這些參數(shù)信息轉(zhuǎn)換為風力發(fā)電機發(fā)電的信號后，驅(qū)動布置在不同位置的風力發(fā)電機依風向轉(zhuǎn)向后進行發(fā)電；智能控制器可儲存風電轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)然后形成數(shù)據(jù)庫，即每個風能參數(shù)對應的風力發(fā)電機發(fā)電量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，智能控制器對數(shù)據(jù)庫全部數(shù)據(jù)進行科學處理與遴選。根據(jù)遴選數(shù)據(jù)能夠得到進行風電場建設的風能信息，智能控制器根據(jù)風力發(fā)電機的工作特性，可計算得出風力發(fā)電機的理論發(fā)電量，以此可判斷此處是否適用于建設風電場。而在風電場的實際運行過程中，該智能測風系統(tǒng)的應用可準確的捕捉風向、風速等信息，以便及時調(diào)整風力發(fā)電機的工作狀態(tài)，進而提高風力發(fā)電機的發(fā)電量。

在該智能測風系統(tǒng)的工作過程中，負載用電需求主要是由風力發(fā)電機和光伏組件所產(chǎn)生的電力進行供給。雙向逆變能源控制器作為將直流電逆變?yōu)榻涣麟姷某Ｓ迷O備，在智能測風系統(tǒng)中由其進行電力分配，當發(fā)電功率低于負載功率時，多余電力會存儲在儲能電池中。若智能測風系統(tǒng)出現(xiàn)故障，報錯信息會傳遞給風電場的控制中心，以便及時得到維修和維護。

2.3 智能測風系統(tǒng)的功能

該智能測風系統(tǒng)可實現(xiàn)風能信息的精確獲取與主動識別、多種能源的綜合利用與能量的自主閉環(huán)，以及區(qū)域性風能資源數(shù)據(jù)的科學處理與傳輸。

1)風能信息的精確獲取與主動識別。激光雷達測風儀可在復雜工況中精確測量風速、風向等風能資源，并將這些風能資源參數(shù)信息發(fā)送至智能控制器，然后智能控制器將這些風能資源參數(shù)信息轉(zhuǎn)換為風力發(fā)電機工作的信號，風力發(fā)電機接收到信號后主動調(diào)整方向，以便更好地利用風向，從而增加發(fā)電量。通過這種模式可以將激光雷達測風儀采集到的風能資源參數(shù)信息以更為直接的發(fā)電量的形式進行表征。

2)多種能源的綜合利用與能量的自主閉環(huán)。該智能測風系統(tǒng)的能量能否實現(xiàn)自主閉環(huán)是關系到其能否長期可靠工作的基礎性問題。該智能測風系統(tǒng)通過雙向逆變能源控制器對光伏電力和風電進行統(tǒng)一調(diào)節(jié)和分配，優(yōu)先為激光雷達測風儀和智能控制器供電，以保證這些設備的正常運行。由于該智能測風系統(tǒng)不需要外接電源，因此可節(jié)省大量電力和建設成本。

3)區(qū)域性風能資源數(shù)據(jù)的科學處理與傳輸。這一功能可解決風力發(fā)電機發(fā)電量信息的準確獲取問題。該智能測風系統(tǒng)的智能控制器根據(jù)大型風力發(fā)電機的工作特性，計算得出大型風力發(fā)電機的理論發(fā)電量，從而可為風電場選址提供科學依據(jù)。

具備上述功能的智能測風系統(tǒng)還可以實現(xiàn)：1)系統(tǒng)的24 h能量平均輸出功率大于等于170 W，足以滿足系統(tǒng)自身的用電需求。2)采用智能測風系統(tǒng)的風力發(fā)電機的發(fā)電量比不采用智能測風系統(tǒng)的風力發(fā)電機的發(fā)電量要高。

3 試驗論證

3.1 試驗設備

為了驗證該智能測風系統(tǒng)的實際效果，以微型風力發(fā)電機為例，搭建能量自主閉環(huán)的智能測風系統(tǒng)。試驗設備的實物圖如圖3 所示，配置參數(shù)如表1 所示。

圖3 試驗設備Fig.3 Experimental equipment

表1 智能測風系統(tǒng)中試驗設備的配置參數(shù)Table 1 Configuration parameters of test equipment in intelligent wind measurement system

3.2 數(shù)據(jù)分析

選取2019 年12 月1～30 日期間，相同環(huán)境條件下采用能量自主閉環(huán)智能測風系統(tǒng)的微型風力發(fā)電機(該發(fā)電機的發(fā)電方式稱為主動式發(fā)電)的發(fā)電量數(shù)據(jù)和不采用能量自主閉環(huán)智能測風系統(tǒng)的微型風力發(fā)電機(該發(fā)電機的發(fā)電方式稱為被動式發(fā)電)的發(fā)電量數(shù)據(jù)，共選取64 組數(shù)據(jù)。采用2 種發(fā)電方式時的微型風力發(fā)電機發(fā)電量測量結果如表2 所示。

通過對表2中的64組數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，采用能量自主閉環(huán)智能測風系統(tǒng)的微型風力發(fā)電機的總發(fā)電量比不采用能量自主閉環(huán)智能測風系統(tǒng)的微型風力發(fā)電機的總發(fā)電量提高了30%以上。

表2 2 種發(fā)電方式時的發(fā)電量測量結果Table 2 Measurement results of power generation with two power generation method

該智能測風系統(tǒng)可在能量自主閉環(huán)的前提下，更為準確地預測風電場的風能信息，從而提高風力發(fā)電機的發(fā)電性能。

4 結論

本文介紹了一套可實現(xiàn)能量自主閉環(huán)的智能測風系統(tǒng)。在相同環(huán)境條件下，采用該智能測風系統(tǒng)的微型風力發(fā)電機的總發(fā)電量可比不采用該智能測風系統(tǒng)的微型風力發(fā)電機的總發(fā)電量提高30%以上，且能夠精確預測風向，可為風電場的選址提供更為精確的參考數(shù)據(jù)，為風力發(fā)電的進一步推廣應用奠定基礎。