黃 慧，馮相賽，錢(qián)峰偉，張寧寧

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

0 引言

在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，風(fēng)電作為全球公認(rèn)的可有效緩解氣候變化、提高能源安全、促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要途徑之一，已得到各國(guó)的高度關(guān)注[1]。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)的數(shù)據(jù)顯示，2019 年全球陸上風(fēng)電新增裝機(jī)容量為53.2 GW，截至2019 年底，全球陸上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到621.3 GW；而到2023 年全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量有望達(dá)到900 GW。

風(fēng)電的高效利用需要精確的風(fēng)場(chǎng)評(píng)估。風(fēng)速和風(fēng)向是評(píng)價(jià)風(fēng)場(chǎng)的重要因素，二者測(cè)量的準(zhǔn)確與否將直接影響對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性的確定[2]。而風(fēng)場(chǎng)的特性決定了風(fēng)能資源的豐富與否，利用測(cè)風(fēng)系統(tǒng)可對(duì)風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并依此來(lái)確定風(fēng)電場(chǎng)的場(chǎng)址。測(cè)風(fēng)系統(tǒng)除了可對(duì)風(fēng)電場(chǎng)選址提供數(shù)據(jù)支撐外，在風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行測(cè)量，可及時(shí)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的工作狀態(tài)，從而可提高風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。由于風(fēng)電機(jī)組一般安裝在環(huán)境惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠性不僅關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行，還會(huì)影響整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行[3]。目前國(guó)內(nèi)服役的風(fēng)電機(jī)組大多采用由風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀及附屬設(shè)備構(gòu)成的機(jī)械式測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，但此類(lèi)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的故障率高、維修周期長(zhǎng)，從而影響了風(fēng)電機(jī)組的利用率[4]。

當(dāng)前，國(guó)外針對(duì)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的研究主要有：美國(guó)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(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，且美國(guó)航空航天局(NASA)已使用該測(cè)風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)切變、晴空湍流等探測(cè)，并在丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)對(duì)飛機(jī)渦流進(jìn)行了建模和預(yù)測(cè)。法國(guó)航空航天研究院(ONERA)通過(guò)與法國(guó)Leosphere 公司合作，已將激光器應(yīng)用于WindCube 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)中，并進(jìn)行了風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和天氣預(yù)測(cè)等外場(chǎng)試驗(yàn)[5]。

國(guó)內(nèi)在測(cè)風(fēng)系統(tǒng)方面已開(kāi)展與風(fēng)切變測(cè)量、湍流測(cè)量、重力波分析、風(fēng)電等方面相關(guān)的技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)研究。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)成功研制出世界上首臺(tái)能同時(shí)觀測(cè)大氣退偏振比和大氣風(fēng)場(chǎng)的相干多普勒激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，該測(cè)風(fēng)系統(tǒng)在測(cè)風(fēng)模式下，可以實(shí)現(xiàn)6 km 的水平探測(cè)距離。但該測(cè)風(fēng)系統(tǒng)尚不能實(shí)現(xiàn)能量自主閉環(huán)和根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源情況精確預(yù)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量的功能，且暫時(shí)不能滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)需求。

本文僅針對(duì)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析，介紹了一套可實(shí)現(xiàn)能量自主閉環(huán)的智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，以期為風(fēng)電場(chǎng)選址提供科學(xué)依據(jù)，并為其建設(shè)提供精確的參考數(shù)據(jù)。

2 能量自主閉環(huán)的智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)介紹

2.1 智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的組成

能量自主閉環(huán)的智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)主要由激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀、光伏組件、儲(chǔ)能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、智能控制器及雙向逆變能源控制器等輔助設(shè)備構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖1 所示。其中，儲(chǔ)能電池由鋰電池組成，可用于存儲(chǔ)風(fēng)電和光伏電力。

圖1 能量自主閉環(huán)的智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Composition of energy-autonomous closed-loop intelligent wind measurement system

2.2 智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的工作原理

該智能測(cè)風(fēng)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(cè)風(fēng)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(dá)測(cè)風(fēng)儀準(zhǔn)確采集風(fēng)速和風(fēng)向等風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)布置在不同位置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)依風(fēng)向轉(zhuǎn)向后進(jìn)行發(fā)電；智能控制器可儲(chǔ)存風(fēng)電轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)然后形成數(shù)據(jù)庫(kù)，即每個(gè)風(fēng)能參數(shù)對(duì)應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，智能控制器對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理與遴選。根據(jù)遴選數(shù)據(jù)能夠得到進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的風(fēng)能信息，智能控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作特性，可計(jì)算得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理論發(fā)電量，以此可判斷此處是否適用于建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)。而在風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，該智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用可準(zhǔn)確的捕捉風(fēng)向、風(fēng)速等信息，以便及時(shí)調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量。

在該智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的工作過(guò)程中，負(fù)載用電需求主要是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏組件所產(chǎn)生的電力進(jìn)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(shè)備，在智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)中由其進(jìn)行電力分配，當(dāng)發(fā)電功率低于負(fù)載功率時(shí)，多余電力會(huì)存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電池中。若智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，報(bào)錯(cuò)信息會(huì)傳遞給風(fēng)電場(chǎng)的控制中心，以便及時(shí)得到維修和維護(hù)。

2.3 智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的功能

該智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)能信息的精確獲取與主動(dòng)識(shí)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(fēng)能資源數(shù)據(jù)的科學(xué)處理與傳輸。

1)風(fēng)能信息的精確獲取與主動(dòng)識(shí)別。激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀可在復(fù)雜工況中精確測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向等風(fēng)能資源，并將這些風(fēng)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(fēng)能資源參數(shù)信息轉(zhuǎn)換為風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作的信號(hào)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)接收到信號(hào)后主動(dòng)調(diào)整方向，以便更好地利用風(fēng)向，從而增加發(fā)電量。通過(guò)這種模式可以將激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀采集到的風(fēng)能資源參數(shù)信息以更為直接的發(fā)電量的形式進(jìn)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(cè)風(fēng)系統(tǒng)的能量能否實(shí)現(xiàn)自主閉環(huán)是關(guān)系到其能否長(zhǎng)期可靠工作的基礎(chǔ)性問(wèn)題。該智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)雙向逆變能源控制器對(duì)光伏電力和風(fēng)電進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)節(jié)和分配，優(yōu)先為激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀和智能控制器供電，以保證這些設(shè)備的正常運(yùn)行。由于該智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)不需要外接電源，因此可節(jié)省大量電力和建設(shè)成本。

3)區(qū)域性風(fēng)能資源數(shù)據(jù)的科學(xué)處理與傳輸。這一功能可解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量信息的準(zhǔn)確獲取問(wèn)題。該智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的智能控制器根據(jù)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作特性，計(jì)算得出大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理論發(fā)電量，從而可為風(fēng)電場(chǎng)選址提供科學(xué)依據(jù)。

具備上述功能的智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)還可以實(shí)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(cè)風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量比不采用智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量要高。

3 試驗(yàn)論證

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了驗(yàn)證該智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際效果，以微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，搭建能量自主閉環(huán)的智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)。試驗(yàn)設(shè)備的實(shí)物圖如圖3 所示，配置參數(shù)如表1 所示。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Experimental equipment

表1 智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)中試驗(yàn)設(shè)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(cè)風(fēng)系統(tǒng)的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(該發(fā)電機(jī)的發(fā)電方式稱(chēng)為主動(dòng)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(cè)風(fēng)系統(tǒng)的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)(該發(fā)電機(jī)的發(fā)電方式稱(chēng)為被動(dòng)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(shí)的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量測(cè)量結(jié)果如表2 所示。

通過(guò)對(duì)表2中的64組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，采用能量自主閉環(huán)智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總發(fā)電量比不采用能量自主閉環(huán)智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總發(fā)電量提高了30%以上。

表2 2 種發(fā)電方式時(shí)的發(fā)電量測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of power generation with two power generation method

該智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)可在能量自主閉環(huán)的前提下，更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能信息，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能。

4 結(jié)論

本文介紹了一套可實(shí)現(xiàn)能量自主閉環(huán)的智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)。在相同環(huán)境條件下，采用該智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總發(fā)電量可比不采用該智能測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總發(fā)電量提高30%以上，且能夠精確預(yù)測(cè)風(fēng)向，可為風(fēng)電場(chǎng)的選址提供更為精確的參考數(shù)據(jù)，為風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。