能量自主閉環(huán)的智能測風(fēng)系統(tǒng)的研究

黃 慧，馮相賽，錢峰偉，張寧寧

(1.上海太陽能工程技術(shù)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(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、促進低碳經(jīng)濟增長的重要途徑之一，已得到各國的高度關(guān)注[1]。據(jù)全球風(fēng)能理事會(GWEC)的數(shù)據(jù)顯示，2019 年全球陸上風(fēng)電新增裝機容量為53.2 GW，截至2019 年底，全球陸上風(fēng)電累計裝機容量達到621.3 GW；而到2023 年全球風(fēng)電累計裝機容量有望達到900 GW。

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

當(dāng)前，國外針對測風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)，且美國航空航天局(NASA)已使用該測風(fēng)系統(tǒng)進行了風(fēng)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(yù)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(yīng)用于WindCube 激光雷達測風(fēng)系統(tǒng)中，并進行了風(fēng)場監(jiān)測和天氣預(yù)測等外場試驗[5]。

國內(nèi)在測風(fēng)系統(tǒng)方面已開展與風(fēng)切變測量、湍流測量、重力波分析、風(fēng)電等方面相關(guān)的技術(shù)攻關(guān)和試驗研究。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(fēng)場的相干多普勒激光雷達測風(fēng)系統(tǒng)，該測風(fēng)系統(tǒng)在測風(fēng)模式下，可以實現(xiàn)6 km 的水平探測距離。但該測風(fēng)系統(tǒng)尚不能實現(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)測風(fēng)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(fēng)電場監(jiān)測需求。

本文僅針對測風(fēng)系統(tǒng)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)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(fēng)系統(tǒng)，以期為風(fēng)電場選址提供科學(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)的智能測風(fēng)系統(tǒng)介紹

2.1 智能測風(fēng)系統(tǒng)的組成

能量自主閉環(huán)的智能測風(fēng)系統(tǒng)主要由激光雷達測風(fēng)儀、光伏組件、儲能電池、風(fēng)力發(fā)電機、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，儲能電池由鋰電池組成，可用于存儲風(fēng)電和光伏電力。

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

2.2 智能測風(fēng)系統(tǒng)的工作原理

該智能測風(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

激光雷達測風(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)電機發(fā)電的信號后，驅(qū)動布置在不同位置的風(fēng)力發(fā)電機依風(fēng)向轉(zhuǎn)向后進行發(fā)電；智能控制器可儲存風(fēng)電轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)然后形成數(shù)據(jù)庫，即每個風(fēng)能參數(shù)對應(yīng)的風(fēng)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(xué)處理與遴選。根據(jù)遴選數(shù)據(jù)能夠得到進行風(fēng)電場建設(shè)的風(fēng)能信息，智能控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的工作特性，可計算得出風(fēng)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(shè)風(fēng)電場。而在風(fēng)電場的實際運行過程中，該智能測風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用可準(zhǔn)確的捕捉風(fēng)向、風(fēng)速等信息，以便及時調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機的工作狀態(tài)，進而提高風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電量。

在該智能測風(fēng)系統(tǒng)的工作過程中，負(fù)載用電需求主要是由風(fēng)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(shè)備，在智能測風(fēng)系統(tǒng)中由其進行電力分配，當(dāng)發(fā)電功率低于負(fù)載功率時，多余電力會存儲在儲能電池中。若智能測風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，報錯信息會傳遞給風(fēng)電場的控制中心，以便及時得到維修和維護。

2.3 智能測風(fēng)系統(tǒng)的功能

該智能測風(fēng)系統(tǒng)可實現(xiàn)風(fēng)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(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識別。激光雷達測風(fēng)儀可在復(fù)雜工況中精確測量風(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)電機工作的信號，風(fēng)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(fēng)向，從而增加發(fā)電量。通過這種模式可以將激光雷達測風(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(fēng)系統(tǒng)的能量能否實現(xiàn)自主閉環(huán)是關(guān)系到其能否長期可靠工作的基礎(chǔ)性問題。該智能測風(fēng)系統(tǒng)通過雙向逆變能源控制器對光伏電力和風(fēng)電進行統(tǒng)一調(diào)節(jié)和分配，優(yōu)先為激光雷達測風(fēng)儀和智能控制器供電，以保證這些設(shè)備的正常運行。由于該智能測風(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)電機發(fā)電量信息的準(zhǔn)確獲取問題。該智能測風(fēng)系統(tǒng)的智能控制器根據(jù)大型風(fēng)力發(fā)電機的工作特性，計算得出大型風(fēng)力發(fā)電機的理論發(fā)電量，從而可為風(fēng)電場選址提供科學(xué)依據(jù)。

具備上述功能的智能測風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電量比不采用智能測風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電量要高。

3 試驗論證

3.1 試驗設(shè)備

為了驗證該智能測風(fēng)系統(tǒng)的實際效果，以微型風(fēng)力發(fā)電機為例，搭建能量自主閉環(huán)的智能測風(fēng)系統(tǒng)。試驗設(shè)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(shè)備Fig.3 Experimental equipment

表1 智能測風(fēng)系統(tǒng)中試驗設(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)智能測風(fēng)系統(tǒng)的微型風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)的微型風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機發(fā)電量測量結(jié)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(fēng)系統(tǒng)的微型風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)的微型風(fēng)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(jié)果Table 2 Measurement results of power generation with two power generation method

該智能測風(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)測風(fēng)電場的風(fēng)能信息，從而提高風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電性能。

4 結(jié)論

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