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摘要：风速仪风向标在新能源风电机组运行中起到关键性的作用，由于风电场（风力发电厂）环境复杂，各种恶劣天气出现如：风沙、冻雨、暴风雪、雨凇、雾凇、等自然天气使得原有普通型风速风向仪已不能满足现有风场运行环境，导致出现冰冻等故障问题，严重影响了风机的发电量和故障率，大大增加了风电场机组运行不稳定对电网电力系统的冲击。为了满足现有风场风机在恶劣环境下的运行条件，本文对现有风电机组风速风向仪的结冰问题进行调研分析结合现有国产抗冰冻风速风向仪的性能进行分析，实现风电场抗冰冻风速仪风向仪的国产化应用，有效降低了风电机组因冬季风速仪风向标结冰引起的长时间故障停机问题，提升了风电机组的发电效率，对提升新能源电力系统的运行稳定性具有重要意义。

关键词：抗冰冻、超声波、风电机组、风速风向仪、国产化、风力发电厂、新能源电力系统

0 引言

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到各国的重视，其具有可再生、分布广、无污染等特点，从而使得风力发电成为世界可再生能源发展的主要选择。想要更好的提升风机安全性和可利用率并确保风力发电机组持续稳定的向电网系统提供电能，获得精准的风速和风向是风力发电机组的关键要素。精准的风速和风向能够使风机的变桨和主控系统进行快速的响应，可以提高风力发电机组的利用率和电网系统运行稳定性。

抗冰冻风速风向仪介绍

1.1抗冰冻机械式与超声波工作原理介绍

a抗冰冻机械式工作原理

如图1和图2，传感器通过磁耦合方式传输至支架，由支架内线路控制加热，加热器镶嵌在支架、风杯、尾翼内，使其自身加热，主要以热传导的方式传递热量。在发热过程中，由于支架是全封闭式的，使热量几乎没有损耗。具有高效的加热性能，而且保证旋转部件、风杯、尾翼恒温在一定温度可控，保证在冻雨、结冰等极端恶劣天气下使传感器正常运行。

b超声波的工作原理

超声波加热器加热的方式分为三层加热，分别位于超声波风速风向仪的顶部、反射层、探头层，通过恒温的原理，始终让传感器的壳体表面温度恒温在一定温度之间，保证超声波在冰雪天气、高湿度、高海拔、冻雨、结霜恶劣天气环境下不结冰或者快速融冰，保证风速风向仪的可靠运行。

1.2不同类型风速风向仪的性能对比分析

a某国产品牌风速风向仪性能对比分析见表1：

从上分析图可以看出，传统的机械式风速风向仪加热功率仅有20W，与抗冰冻机械式和超声波式风速风向仪进行对比，传统机械式的抗冰冻能力严重不足。

1.3风场分类及产品选型分析

为了便于精确选型，通过对在运的全国上百个风场进行了风场运行环境调研，根据风场实际运行情况对风机原有产品情况进行综合分析，经过调研论证目前将风场环境分为四大类型：风沙类、一般冰冻类、严重冰雪类、严重冻雨类。原则为：（以下正文中的“冰冻”指的是风速仪风向标在不同环境类别下被冻住导致无法正常运行的状态）

（1） 年平均冻雨冰冻持续时间大于等于2天，或者冻雨冰冻某一年大于等于3次（每次冰冻超过10小时以上），或者全场某一年单次因冻雨冰冻导致风机停机超过30%以上的风场定义为严重冻雨类；

（2） 年平均冰雪冰冻持续时间大于等于2天或者冰雪冰冻某一年大于等于3次（每次冰冻超过10小时以上），或者全场某一年单次因冰雪冰冻导致风机停机超过30%以上的风场定义为严重冰雪类；

（3） 年平均冰冻持续时间小于2天，且某一年小于3次（每次冰冻不超过10小时），且全场某一年单次因冰冻导致风机停机低于30%的风场定义为一般冰冻类（一般的冰雪和冻雨统称为一般冰冻）；

（4） 年累计大于等于一个月受到风沙侵蚀或某一年因风沙引起的故障台数超过25%以上风场定义为风沙类。

1.4抗冰冻应用效果分析

为了更好地对国产抗冰冻型风速风向仪的抗冰冻效果进行分析，通过选取冰冻较严重的风场进行安装应用测试，具体应用分析如下：

本次选择某国产抗冰冻风速风向仪选取湖北省2个冬季冰冻较严重的风场，湖北利川齐岳山和燕子山风电场在冬季冰雪和冻雨天气时风机批量报风速仪风向标数值异常故障，本风场环境适合抗冰冻型风速风向仪的抗冰冻性能可靠性测试。经调研风场往年冰雪天气情况，风场在冬季环境温度零下时风速仪风向标很容易因冻雨结冰，且冻雨结冰无法正常运行持续时间一般在3天以上，属于较严重结冰风场。

本次选取5台测试机组，分别为：齐岳山项目2台风机（#96、#113），燕子山3台风机（#26、#28、#36）测试周期为4个月。分别以风电场非抗冰冻型与抗冰冻型风速风向仪在冬季的抗冰冻运行情况进行数据分析对比，从而更好的获得国产抗冰冻风速风向仪的抗冰冻性能。

（一）岳山风电场风速风向仪运行分析

说明：下图中数据坐标为平面坐标轴，X轴表示时间，Y轴表示风速、风向、功率、温度的检测数值。

从图3可以看出，当环境温度在-1度到6度之间，从曲线图可以看出风向标数值（绿色线）为恒定值180（表示风向数值为180°无变化），说明风向标出现结冰无法正常运行状态。红色曲线为一条直线表示风力发电机组此时的输出功率为零，说明风机此时因风向标出现冰冻无法正常运行导致机组无法正常对风同时报出风向标故障引起风机停机。

从图4看出同一时间段内国产抗冰冻型号风速风向仪的测试运行情况，蓝色曲线代表风速仪数据，风速数据可以正常波动，红色曲线代表风向仪数据，风向数据可以正常波动。

（二）燕子山风场风速风向仪运行分析

图5中看出：当环境温度在-10℃左右时，开始风机运行正常波动，之后出现风向标数值为180度定值（红色曲线），风速显示接近0m/s（蓝色曲线），功率为零或者负数（紫色曲线），说明风机此时已经处于故障停机状态，风速仪、风向标出现冰冻情况。

图6中看出：当环境温度在-10℃左右时，风速曲线（蓝色）、风向曲线（红色）、功率曲线（紫色）在正常波动，说明抗冰冻型号风速风向仪测试机组在相同冰冻环境下运行正常。

图7 中看出：当环境温度在-10℃左右时，风速曲线（蓝色）、风向曲线（红色）、功率曲线（紫色）在正常波动，说明抗冰冻型号风速风向仪测试机组在相同冰冻环境下运行正常。

1.5 国产抗冰冻型对机组运行稳定性和发电量提升影响

选取华东某风场机组安装国产抗冰冻型风速仪风向标与非国产化抗冰冻型风速仪风向仪机组进行运行稳定性与发电量分析。

分别选取机组#4、#6、#15、#16六个机组进行样机测试，其中#4、#6机组安装非国产抗冰动型某品牌型号风速风向仪，#15、#16安装国产抗冰动型某品牌型号风速风向仪，安装完成后相同环境下持续运行6个月，选取2020年9月-2021年2月期间月总发电量，其中测试的6台机组设定为样机，不受风场发电量限电影响和长时间停机等因素影响（即在基本相同的标准环境工况下），通过风机SCADA数据系统采集运行月发电量等关键数据进行分析，数据如下：

对以上机组进行对比分析，#15和#4机组和#20和#6机组分别为相邻相同环境下测试机组，对比分析结果如下图：

从图9分析结果可以看出，蓝色柱状图表示国产抗冰冻型风速风向仪，橘红色表示非国产抗冰冻型风速风向仪，在测试的6个月中，使用国产抗冰冻型风速风向仪的机组比非国产抗冰冻型风速风向仪的机组月总发电量有明显提升。

从图10分析结果可以看出，蓝色柱状图表示国产抗冰冻型风速风向仪，橘红色表示非国产抗冰冻型风速风向仪，在测试的6个月中，使用国产抗冰冻型风速风向仪的机组比非国产抗冰冻型风速风向仪的机组月总发电量有明显提升。

通过以上风电场机组的测试，使用国产抗冰冻型风速风向仪的机组发电量得到了明显的提升，说明应用安装国产抗冰冻型风速风向仪的风力发电机组的运行稳定性和发电量生产效率得到了明显提升，有效降低了风力发电机组风速风向传感器冬季结冰引起的机组故障率。因此现有国产抗冰冻型风速风向仪性的大规模应用将对风力发电厂电力系统的运行稳定性提升产生较大影响。

结论

目前经过大量的应用研究，国产抗冰冻风速风向仪在国内风电机组的冰雪环境下已经能够满足风机的实际运行需求，且已经在多个运维风电场千台以上机组中大批量应用，为我国国产化抗冰冻风速风向仪的大规模应用奠定了良好的基础。未来国产化抗冰冻型风速风向仪将在我国风电场机组高效运行中发挥重要作用，有助于提升新能源电力系统运行稳定性。

参考文献

[1] 樊立新，联合动力机组风速风向仪选型技术规范，2014 。

[2] 胡坤，风场风速仪风向标选型规范，2017。

[3] 浙江贝良风能电子科技有限公司产品介绍，2021。

[4] 梁宇飞，风电机组风速风向仪未来发展趋势研究，文章编号 ：1674- 9219（ 2013） 12- 0100- 03

Research on Development Trend of Wind Direction and Wind Speed Sensor of Wind Turbine.