基于三维超声波阵列的风电场风力瞬变特性测量研究.pdf

第４Ｏ卷第１３期２０１２年７月１日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｏｌ＿４０ＮＯ．１３Ｊｕｌｙ１，２０１２基于三维超声波阵列的风电场风力瞬变特性测量研究周封，李翠，王晨光（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨１５００８０）摘要：风能资源评估和风电功率预测等除需要平均风速数据外，还需要对风力的瞬变特性进行准确的测量和分析分析了风力瞬变特性对风电场的影响，为能够准确测量垂直切变、湍流等风力的瞬变特性，提出利用三对超声波换能器构成三维阵列的风力瞬变特性测量方法。采用时差法，通过设计超声波换能器阵型排布及各部分电路，建立风力参数计算模型；在准确测量传统的风速和风向参数基础上，进一步实现了实时的风力瞬变参数特性测量。采用该方法进行了三个测风塔的长期连续风力特性数据采集，据此研究了风切变和湍流对风电场的影响，进而为风电机组选型和风电场选址提供依据。关键词：超声波风速仪；三维风速风向测量；时差法；风切变；湍流ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｗｉｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉＣＳｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎ３ＤｎＩｔｒａｓｏｎｉｃｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｗｉｎｄｆａｒｍ—ＺＨＯＵＦｅｎｇ，ＬＩＣｕｉ，ＷＡＮＧＣｈｅｎｇｕａｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｗｉｎｄｐｏｗｅｒｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｎｅｅｄｓｔｈｅａｖｅｒａｇｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄｄａｔａａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅａｃｃｕｒａｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔ｝ｌｅｗｉｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｎｗｉｎｄｆａｒｍｉＳａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｏａｃｃｕｒａｔｅｌｙｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｓｈｅａｒａｎｄｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，ｔｈｒｅｅｐａｉｒｓｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅ３Ｄｗｉｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｗｉｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉＳｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅ’ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｅａｃｈｐａｒｔｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｕｓｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅ．ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ．ｔｈｅｒｅａ１．ｔｉｍｅｗｉｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｃｃｕｒａｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．’Ｔｈｒｅｅｗｉｎｄｔｏｗｅｒｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗｉｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｄａｔａａｌｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｗｉｎｄｓｈｅａｒａｎｄｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｏｎｗｉｎｄｆａｒｍｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｗｈｉｃｈｔｈｅｔｙｐｅｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅａｎｄｔｈｅｓｉｔｅｏｆｗｉｎｄｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｃｏｕｌｄｂｅｅａｓｉｌｙｃｈｏｓｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ；３Ｄｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｔｉｍｅ．ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｗｉｎｄｓｈｅａｒ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ中图分类号：ＴＭ６１４文献标识码：Ａ—文章编号：１６７４３４１５（２０１２）１３．０１２７．０８０引言随着能源危机和现有能源的使用给环境带来的污染，加之日本核泄漏引发的全球核信任危机，被称为绿色清洁能源的风能越来越受到世界各国的的青睐。风能就是空气流动所产生的动能，风资源的品质影响着风力机的运行。风具有瞬变性即随机性Ｌｌｊ，表现为在时间和空间上的分布不均，包括风的湍流特性和风切变。风的随机变化使风力发电机组需要根据风况和风速的实时变化调整转速和桨距角，以保持最大的风能捕获和机组的稳定运行，输出优质的电能【３。４Ｊ。风速和风向测量的准确与否直接影响到对风的瞬变特性的研究。目前的风速测量模型和方法中，常用的仪表有杯状风速计Ｌ５Ｊ、翼状风速计、热敏风速计［７－８］和超声波风速计【９。杯状风速计和翼状风速计使用方便，但其惰性和机械摩擦阻力较大，只适合于测定较大的风速。热敏风速计应用过程中需要人为的干预，而且此仪表在湍流中使用时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，会影响到测量结果的准确性。现阶段常采用基于超声波传播速度受风速影响而增减原理制成的超声波风速仪表，与其他各类仪表相比较，其优势在于：安装简单，维护方便：不需要考虑机械磨损，精度较高；不需要人为的参与，可完全智能化［１２－１４］。本文建立风力瞬变参数计算模型，采用时差法实现超声波测量风速风向，设计合理的超声波换能器阵型、电路系统和信号处理方法等，实现了风电场三维风速风向的测量。在黑龙江省某风电场进行长期连续的现场测试，并利用这些数据分析了风切．１２８．电力系统保护与控制变和湍流对风电场的影响。１风的瞬变特性及对风电场的影响１．１风的瞬变特性风是一种矢量，通常用风向和风速这两个参数表示。风的瞬变特性包括风随时间的变化和随空间的变化。风随时间的变化包括风速的日变化和月变化。风速的日变化表现为风的强弱在一天之中可看作是周期性的，地面上夜间风弱，白天风强，高空中则相反，夜里风强白天风弱。我国风速的月变化表现为春季最强，秋冬季次之，夏季最弱，而沿海地区则正好相反。１．２风的瞬变特－性对风电场的影响风的瞬变特性对风电场的影响表现在风切变和湍流对风电场运行的影响。１．２．１风切变指数的定义风切变是指在大气边界层中，由于受地球表面的作用，平均风速随高度变化的现象，是风资源在空问上分布不均的典型特征之一。风速的风切变特性使风力机叶片扫掠面的不同水平截面的风速大小各不相同，风速的变化使得风力机叶片运行工作情况时刻发生改变，直接影响到风轮的气动性能，进而影响风力发电设备的效率与安全【】。目前多数国家采用经验的指数律分布来描述近地层中平均风速随高度的变化，我国在进行风资源评估时也常采用指数律分布。风切变的指数律分布可表示为６］：（）（１）ｖ（ｚ２）Ｚ２一式中：ｖ（ｚ１）表示离地高度处的平均风速；ｖ（ｚ，）表示离地高度处的平均风速；表示风切变指数，一般在０．１～０．４之间，其大小表示风速随高度增加的快慢，大表示风速梯度大，即风速随高度增加快，小表示风梯度小，即风速随高度增加的慢。风速随高度增加有显著变化，但由于地面粗糙度不同，风速随高度的变化也不同，再次使用幂次律的风切变公式可求得风切变指数，根据公式（１）得】ｖ（ｚ）＝ｍｚ（２）式中：１，（ｚ）代表离地高度ｚ处的平均风速；ｍ是根据计算得到的不同高度风切变拟合得到的常数，不同年份不同测风塔处的ｍ值各不相同；代表风切变指数。１．２．２湍流对风电场的影响自然风是一种平均风速与激烈变动的瞬间紊乱气流相重合的风，紊乱的气流叫做紊流，也叫湍流。现行的风电场测风系统中，仅以风力机轮毂高度处的平均风速作为整个风力机的平均风速，忽略了风剪切和紊流因素对风速的影响。湍流的产生原因有两个，一个是气流流动受到地面粗糙度的摩擦或阻滞作用，另一个原因是由于空气密度差异和大气温度差异引起的气流垂直运动。湍流强度指标是决定风电机组安全等级或设计标准的重要参数之一，也是风电场风资源评估的重要内容，其评估结果直接影响到风电机组的选型和风电场的选址。湍流是重要的风况特征，计算公式为Ｉｒ＝ｔｒ／ｖ（３）式中：为某时段风速的标准偏差（ｍ／ｓ）；ｖ为某时段的平均风速（ｍ／ｓ）。２三维超声波阵列风力瞬变特性测量原理２．１时差法风速测量原理超声波在空气中传播过程中，在顺风与逆风方向传播存在一个速度差，当传播固定的距离时，此速度差反映成一个时间差，这个时间差与待测风速有线性关系。本系统选择中ｔｌ，频率为２００ｋＨｚ的收发一体超声波换能器，顺序发射超声波，如图１所示。首先Ａ作为发射探头，Ｂ作为接收探头，设由换能器Ａ到Ｂ的传播方向为顺风方向，进行测量得到顺风方向的传播时间为：（４）Ｃ＋ＶＡＢ式中：为换能器Ａ、Ｂ间的固定间距；ｃ为空气中声速；ＶＡＢ为ＡＢ方向风速分量。接着探头Ｂ作为发射端，探头Ａ作为接收端，设由Ｂ到Ａ为逆风方向，得到由Ｂ到Ａ方向上的另一个时间ｔＢ为：（５）—ＣＶＡＢ由式（４）和式（５）得ＡＢ方向的风速分量为】１ＶＡＢ＝（＿一＿）【６）田ｔＡａ田超声波接收换能器超声波发射换能器口ｔａＡ曰—一——’距离￡一定＿｛图１时荠法招亩溏风辣测量原理圈Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂｙｔｉｍｅｄｉｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄ周封，等基于三维超声波阵列的风电场风力瞬变特性测量研究２．２三维超声风速测量传感阵列设计根据测量维度，超声波风速风向测量可分为二维（ｔｏｗｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，２Ｄ）和三维（ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，３Ｄ）两种，其中２Ｄ是现在常用的超声波风速测量应用类型，这种设计只能测量某一水平面上的风速，而忽略了风的空间特性，这种测量结果影响风速的测量精度，不利于风力机叶片实时调整迎风角度从而达到最大利用风能。本系统设计３Ｄ超声波风速风向测量装置，采用６个换能器工作，每对换能器采用正交方式排列，在空间上形成一个空间坐标系。具有结构紧凑、便于实现、小型化的优点。换能器位置如图２所示，Ｗ、Ｎ、Ｅ、Ｓ、Ｕ、Ｄ分别表示相应的换能器的位置为西、北、东、南、上、下，￡选为２００１ＴｌＩｎ。图中ｘ轴正方向的风速为由西向东，Ｙ轴正方向的风速为由南向北，Ｚ轴正方向的风速为由下向上，依此类推。根据式（６），得东西方向风速分量为一式中：，为超声波在正方向的飞行时间；ｔ２为超声波在负方向飞行时间。南北方向风速分量为ＶＳＮ（－２－－一■一一）ＬＪ式中：为超声波在Ｙ正方向的飞行时间；ｔ４为超声波在Ｙ负方向飞行时问。上下方向风速分量为１１、…ＶｓＮｃ：－一＿－Ｊ（９）ｆ３４ｒ４３式中：为超声波在Ｚ正方向飞行时间；ｔ６为超声波在Ｚ负方向飞行时间；实际风速为ｖ。根据实际风速１，与风速分量ｖＷＥ、、ｕ的关系为换能１，：１，ｗＥ２＋＋ｕ（１０）换能器Ｎ——一——三图２超声波风速测量阵型设计Ｆｉｇ．２Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ得实际风速ｖ为ｖ２￣ｔ１２ｔ２１礤（１１）现有的２Ｄ风速仪都是以轴为基准来表示风向；而在３Ｄ情况下，风速实际上是一个空间向量。本文设ｉ，Ｊ，ｋ分别表示，Ｙ，Ｚ轴正方向的单位向量，并称它们为坐标系的基准向量。则风矢量表达式为Ｖ：ｆ＋Ｎ＋ｖＤＩＪ七（１２）其中，ＶＷＥ、ＶｓＮ、ｖｏｕ的值可能为正也可能为负，对应的风向可以根据此三个参数计算得到。３系统硬件设计３．１系统总体结构设计超声波风速仪硬件设计的总体功能框图如图３所示，首先由ＴＤＣ．ＧＰ２１的ＦＩＲＥＵＰ或ＦＩＲＥＤＯＷＮ引脚产生频率为２００ｋＨｚ的方波脉冲序列，经驱动电路后，由多路选择器选择信号进入那路发射端换能器。接收端换能器接收到超声波信号后，先通过带通滤波放大电路处理，然后触发ＴＤＣ．ＧＰ２１的ＳＴＯＰ１或ＳＴＯＰ２引脚，系统控制模块的单片机ＳＴＣ１２ＬＥ５４０４用于配置ＴＤＣ．ＧＰ２１的配置寄存器、控制多路选择器的动作以及数据的存储和处理。数据通过ＧＰＲＳ模块远程传输。多路选择器电路超声波换能器１…超声波换能器２ｌＩ超声波换能器６带通滤波放大电路ＳＴＯＰ２／ＳＴＯＰｌ电源系统控制模块电路图３系统总体结构图Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ通信接口模块ＧＰＲＳ模块３．２ＴＤＣ．ＧＰ２１硬件电路设计ＴＤＣ．ＧＰ２１是德国ＡＣＡＭ公司生产的高精度时间数字转换器，内部集成了模拟输入、温度测量、脉冲发生、ＥＥＰＲＯＭ等功能，它的工作原理是利用信号通过ＣＭＯＳ反相器的个数来精确量化时间间Ｌ州山ｌＤ驱一电力系统保护与控制隔。图４为本设计中ＴＤＣ．ＧＰ２１外围电路图。图４ＴＤＣ．ＧＰ２１外围电路设计—Ｆｉｇ．４ＴＤＣＧＰ２１ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ脉冲发生器可以通过５、６两个引脚输出脉冲，驱动能力为９６ｍＡ，本文通过设置寄存器的相应位，得到频率为２００ｋＨｚ的１０个脉冲序列作为５、６引脚的输出。ＴＤＣ．ＧＰ２１内部集成了一个模拟电路输入部分，相应的输入引脚为２７和３Ｏ脚。模拟输入部分包括了模拟开关、比较器和高通滤波等电路，这个功能应用于本超声波风速仪的设计中，可以大大简化整个电路的设计。每个换能器都既作为接收又作为发射换能器，这里假设上游换能器的发射端与ＦＩＲＥＵＰ相连，接收端与ＳＴＯＰ１相连，下游换能器的发射端与ＦＩＲＥＤＯＷＮ相连，接收端与ＳＴＯＰ２相连，超声波由上游换能器发射下游换能器接收，来说明超声波时差法的测量过程。通过命令ＳｔａｒｔＴＯＦＲｅｓｔａｒｔ，一次基于超声波时差法的风速测量就开始了，首先４ＭＨｚ振荡器将会被开启，ＴＤＣ．ＧＰ２１等待一段延迟直到振荡器达到满振幅。比较器、参考电压和模拟开关将会被供电。与ＳＴＯＰ１连接的电容会被连接到ＧＮＤ，下游发射缓冲ＦＩＲＥＤＯＷＮ也会连接到ＧＮＤ。接收信号通道ＳＴＯＰ２的电容将会被充电到参考电压，模拟开关将选择ＳＴＯＰ２的输入作为比较器端的输入，ＦＩＲＥＵＰ选择输入到ＴＤＣ的ＳＴＡＲＴ端口，所设置的ｆｉｒｅ脉冲数目将会通过ＦＩＲＥＵＰ缓冲在管脚ＦＩＲＥＵＰ发送，模拟信号通过ＳＴＯＰ２将会传输到比较器，从而转换成一个数字信号给到连接ＴＤＣ单元的ＳＴＯＰ输入端。在测量的最后控制单元将会关闭比较器、模拟开关和４ＭＨｚ晶振，电流会被降低到接近０值，这时中断将会被置位。控制单元将会等待２０ｍｓ，在此期间，单片机会读出测量结果，延时之后，相同的过程将会在下游测量当中重复一次。由于本系统测量三维风速，共有三对换能器，所以一个风速值的测量会重复三次此测量过程。超声波在空气中的传播速度和温度相关，相应表达式为Ｃ＝３３１．４ｘ而（１３）式中：Ｃ为超声波在空气中的传播速度；ｒ为空气中的温度。因此需要实时测量环境温度，实时修正超声波在空气中的传播速度，以保证风速测量的准—确性。ＴＤＣＧＰ２１的１７、１８、１９、２０、２３、２４脚为温度测量相关引脚，ＴＤＣ。ＧＰ２１内部还集成了施密特触发器。因此使用ＴＤＣ．ＧＰ２１自带的温度测量功能大大简化了本文的温度补偿电路。在图４中，温度测量的外部只需接一个电阻Ｒ９、一个电容Ｃ８和两个ＰＴ１０００温度传感器。３．３超声波驱动电路由于超声波在空气中传播过程中存在衰减，且周封，等基于三维超声波阵列的风电场风力瞬变特性测量研究．１３１．衰减速度快，所以为了确保接收端信号的强度，需要设计一个超声波驱动电路，超声波换能器为电压驱动型器件，驱动电压为２００￣４００Ｖ之间。图５为超声波驱动电路图，输入为ＴＤＣ．ＧＰ２１的５脚ＦＩＲＥＵＰ或６脚ＦＩＲＥＤＯＷＮ产生的脉冲序列，Ｑ７为ＩＲＬ３４１０，在此电路中起到开关的作用。Ｔｌ为升压变压器，原副边匝数比为１：１０。当输入为脉冲的高电平时，Ｑ７导通工作，变压器副边截止，变压器原边的电阻Ｒ１０１和电容Ｃ１０６组成储能电路；当输入为脉冲的低电平时，Ｑ７截止不工作，变压器副边导通，原边存储的能量释放到副边。这就实现了原边低幅值的方波脉冲升高到副边高幅值同频率的方波脉冲，副边的输出引脚ＴＲＡＮＳ１与换能器相连接，实现对超声波换能器的驱动，使超声波换能器发出２００ｋＨｚ的超声波信号。图５超声波驱动电路Ｆｉｇ．５Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ型ＷＤ１Ｎ４】３．４带通滤波放大电路接收端的超声波换能器接收到发射端的超声波信号后，会向ＴＤＣ．ＧＰ２１输入一个超声波信号，此超声波信号一般为几十微伏到几毫伏的中心频率为２００ｋＨｚ的正弦振荡信号，由于这个信号很微弱，所以要先经过带通放大处理。图６为本系统的带通放大电路图，运放芯片选用ＴＩ公司的ＭＣ３３０７８，它有两路运放，可单电源供电，本系统每路带通滤波放大电路需要两路放大，因此每路只需要一片ＭＣ３３０７８即可。Ｄ１、Ｄ２起到限幅的作用，将输入信号限制在±０．７Ｖ，防止引入干扰信号。图中Ｒ１９、Ｒ２１、Ｒ５９的确定方法为去７５，ｃ乙。‘一Ｌ—Ｒ１９：－Ａ＝＿＿ｍＲ一２１（１６）２＋式中：Ｑ为品质因数，本文设置为１０；厂ｃ为每一路运放的带通滤波中心频率，本文设置为２００ｋＨｚ；为放大倍数，设置为３０；Ｃ２１＝Ｃ３９＝Ｃｌ－１００ｐＦ。系统通频带为２０ｋＨｚ。图６带通滤波放大电路Ｆｉｇ．６Ｂａｎｄｐａｓｓｆｉｌｔｅｒａｎｄａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ３．５多路选择器设计本系统进行三维风速的测量，所以有三对收发一体的超声波换能器工作，每个换能器既具有发射功能也具有接收功能，也就是说既与ＦＩＲＥ端口相连，也和ＳＴＯＰ端口相连。这样每个ＦＩＲＥ端口和ＳＴＯＰ端口都和三个换能器相连，就需要多路选择器来控制换能器工作。图７为本文的多路选择器电路图，多路选择器选择ＡＤＩ公司的ＡＤＧ８０４，它是一个四通道多路选择器，导通电阻只有０．５Ｑ，信号经过选择器时衰减小，选择器的开关速度快，且具有线性特性，非常适合超声波信号的要求。Ａ０和Ａ１是由单片机控制的管脚，选择Ｓ１到Ｓ４中的一路选通，并切换至公共输出引脚Ｄ向外输出。图７多路选择器电路Ｆｉｇ．７Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｃｉｒｃｕｉｔ．１３２．电力系统保护与控制３．６系统控制模块设计’由于本系统使用了具有超高集成度的时间数字—转换芯片ＴＤＣＧＰ２１，所以主控制器使用一个简单的不带Ａ／Ｄ转换功能的单片机就可以了，本系统选择宏晶公司的ＳＴＣ１２ＬＥ５４０４单片机作为主控制器，电路图如图８所示。此单片机为３．３Ｖ单片机，与ＴＤＣ．ＧＰ２１通过ＳＰＩ口进行通信。图８控制模块电路Ｆｉｇ．８Ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｃｉｒｃｕｉｔ４风力瞬变特性实测及分析将本测风装置应用于黑龙江省某风电场的三个测风塔，进行连续测风。本测风装置分别安装在各测风塔距地面９０ｍ、７０ｍ、５０ｍ、３０ｍ、１０ｍ处，测量并记录每秒的风速风向值。４．１风切变指数的年变化情况根据实测数据，由式（１）ｎ－ｑ得出一号测风塔２００９和２０１０年各高度处的风切变指数分别如表１和表２所示。从表１、表２可看出，相同年份各高度问风切变指数不同，不同年份各高度间的风切变指数也存在较大差别；相同高度处，高度差距越大，风切变指数越小；不同高度处，高度越高，且高度差距越大，风切变指数越大。这是由于受大气环流等影响，表１２００９年一号测风塔各高度风切变指数Ｔａｂｌｅ１ｗｉｎｄｓｈｅａｒｉｎｄｅｘｏｆＮｏ．１ｗｉｎｄｔｏｗｅｒｗｉｔｈｅａｃｈｈｅｉｇｈｔｉｎ２００９表２２０１０年一号测风塔各高度风切变指数Ｔａｂｌｅ２ＷｉｎｄｓｈｅａｒｉｎｄｅｘｏｆＮｏ．１ｗｉｎｄｔｏｗｅｒｗｉｔｈｅａｃｈｈｅｉｇｈｔｉｎ２０１０近地层的气流受地表辐射和粗糙程度影响较大；而高层气流受地表辐射和粗糙程度影响较小，这就表现为风速随高度减少而有所下降。４．２风切变指数的月变化以二号测风塔２０１０年６月到２０１１年５月实测数据计算出的风切变指数随各月的变化规律如图９所示，图中曲线３０／１０、７０／１０、７０／５０分别表示３０ｍ与１０ｍ高度、７０ｍ与１０ｍ高度、７０ｍ与５０ｍ高度间风切变指数月变化。图９二号测风塔风切变指数随各月的变化规律Ｆｉｇ．９ＣｈａｎｇｅｒｕｌｅｏｆＮｏ．２ｗｉｎｄｔｏｗｅｒｓｈｅａｒｉｎｄｅｘｗｉｔｈｅａｃｈｍｏｎｔｈ从图９可以看出３月到５月风切变指数最大，１１月到２月次之，６月到８月最小。符合黑龙江省的气候特点，黑龙江省属中温带大陆性季风气候，四季变化比较明显。春季（３月至５月）干旱、少雨、多大风；夏季（６月至８月）高温、多雨、光照足、多南风；秋季（９月至１０月）温凉、多晴天，气候逐渐降低转冷；冬季（１１月至２月）严寒少雪，多西北风。这说明风剪切不仅受风电场周围地形粗糙度的影响，而且受季节的影响。春季太阳辐射强度较低，大气层趋向于稳定，层间很少混合，风速随着离地高度的增加而急剧增加，因此风切变指数较高。而夏季太阳辐射强度高，引起大气层不稳定，增强了大气层间的混合，使不同大气垂直层间的风速相对一致，因此风切变指数低。４．３固定地点风切变指数的特性根据式（２）风速随高度变化指数曲线规律可求出和ｍ值，三个测风塔各高度风速幂指数拟合曲周封，等基于三维超声波阵列的风电场风力瞬变特性测量研究．１３３．线如图１０所示，从图中可看出，一号测风塔２００９年拟合得到的风切变指数为０．１２３，２０１０年为０．１２１，可认为相等；二号测风塔２００９年拟合得到的风切变指数为０．１３８，２０１０年为０．１３６，可认为相等；三号测风塔２００９年拟合得到的风切变指数为０．１５２，２０１０年为０．１５１，可认为相等。由此可说明，风电场某一处的周围环境及地表情况是固定的，因此风速随高度变化的风切变指数也就是一定的。（ａ）一号塔（ｃ）三号塔图１０三个测风塔各高度风速幂指数拟合曲线图Ｆｉｇ．１０Ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｅｘｐｏｎｅｎｔｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆｔｈｒｅｅｗｉｎｄｔｏｗｅｒｗｉｔｈｅａｃｈｈｅｉｇｈｔ４．４湍流强度的计算根据２号测风塔９０ｍ高度测得的１０ｍｉｎ风速标准差和１０ｍｉｎ平均风速，可以计算得到各个高度１０ｍｉｎ湍流强度。这里计算测风塔９０１ＴＩ高度１０ｍｉｎ平均风速为１５ｒｎ／ｓ时的环境湍流为０．１２２，小于ＩＥＣ６１４００．１规定的Ｂ类标准【２，属于低湍流强度水平，其他风速段的湍流强度如表３所示。风电场的湍流特性直接影响风电机组性能和寿命，的值小于等于０．１表示湍流强度相对较小，值为０．１－０．２５时为中等湍流强度，更高的值表示湍流强度过大。当湍流强度大时，会使风电场功率输出变小，还会引起极端载荷，导致削弱和破坏风电机组。因此，风电场的湍流强度，ｒ不要超过０．２５。从表３可看出该地区适合风电场选址标准。表３２号测风塔湍流强度Ｔａｂｌｅ３Ｎｏ．２ｗｉｎｄｔｏｗｅｒｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ高度／ｍ１５ｍ／ｓ湍流度１０３Ｏ５０７０９００．１５６Ｏ．１３４Ｏ．１２５０．１２３０．１２２５结论本文分析了风的瞬变特性对风电场的影响，针对现有风速风向测量装置的不足，采用六个超声波换能器按照特定空问结构，利用超声波时差法设计了三维风速风向传感器，硬件设计以高精度时间数—字转换芯片ＴＤＣＧＰ２１和ＳＴＣ单片机为核心，不但可以实现风速风向的精确测量，还可进行风的瞬变特性实时测量。可为研究风力机的偏航系统实时准确跟随和风电场的风切变和湍流特性提供依据。利用本系统的长期连续实测数据，研究了风切变指数和湍流对风电场的影响，可以看出不同高度的风切变指数受地面粗糙度及周围地形地貌影响变化幅度较大；风切变指数的月变化受该地区季候因素影响；风电场固定地点风速随高度变化的风切变指数是一定的。该地区各高度的风湍流强度小于０．２５，对风电机组性能和寿命的影响较小，因此适合建立风电场。参考文献［１］牟聿强，王秀丽，别朝红，等．风电场风速随机性及容量系数分析［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００９，３７（１）：６５．７０．——ＭＵＹｕｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧＸｉｕｌｉ，ＢＩＥＺｈａｏ－ｈｏｎｇ，ｅｔａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｃａｐａｃｉ移ｆａｃｔｏｒ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（１）：６５－７０．［２］倪林，袁荣湘，张宗包，等．大型风电场接入系统的控制方式和动态特性研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，—２０１１，３９（８）：７５７９．—ＮＩＬｉｎ，ＹＵＡＮＲｏｎｇ－ｘｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＺｏｎｇｂａｏ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｌａｒｇｅｗｉｎｄｆａｒｍｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１１，３９（８）：７５－７９．［３］吴昊，张焰，刘波．考虑风电场影响的发输电系统可靠性评估［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１１，３９（４）：３６．４２．ＷＵＨａｏ，ＺＨＡＮＧＹａｎ，ＬＩＵＢｏ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．１３４．电力系统保护与控制ｏｆｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｗｉｎｄｆａｒｍｅｆｆｅｃｔｓ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１１，３９（４）：３６－４２．［４］刘峻，何世恩．建设坚强智能电网推助酒泉风电基地发展［Ｊ】．电力系统保护与控制，２０１０，３８（２１）：１９－２３．ＬＩＵＪｕｎ，ＨＥＳｈｉ．ｅｎ．ＳｔｒｏｎｇｓｍａｒｔｇｒｉｄｂｏｏｓｔｓＪｉｕｑｕａｎｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂａｓｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ—ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，３８ｆ２１１：１９２３．［５］周志华．三杯式风速计特性分析与实验研究［Ｄ】．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００７．ＺＨＯＵＺｈｉ－ｈｕａ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｃｕｐａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７．［６］李安迎，邓靖靖，邓世建，等．基于三杯式风速传感器的风速监测站设计［Ｊ］．电测与仪表，２０１０，４７（７Ａ）：１２１－１２４．ＬＩＡｎ－ｙｉｎｇ，ＤＥＮＧＪｉｎｇ－ｊｉｎｇ，ＤＥＮＧＳｈｉ－ｊｉａｎ，ｅｔａ１．—Ｄｅｓｉｇｎｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｕｎｉｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｒｅｅｃｕｐｗｉｎｄｓｐｅｅｄｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，２０１０，４７（７Ａ）：１２１－１２４．［７］秦香丽，祖静，裴东兴，等．基于ＭＳＰ４３０单片机的热线式风速测量系统的设计［Ｊ】．微计算机信息，２００８，２４（３－２）：ｌ１６．１１８．ＱＩＮＸｉａｎｇ－ｌｉ，ＺＵＪｉｎｇ，ＰＥＩＤｏｎｇ－ｘｉｎｇ，ｅｔａ１．ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈｏｔｗｉｒｅｄｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＭｓｐ４３０Ｍｃｕ［Ｊ］．ＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２００８，２４（３－２）：ｌ１６・１１８．［８］郑亮．风力发电机组风速检测的研究【Ｄ］．北京：华北电力大学，２００８．ＺＨＥＮＧＬｉａｎｇ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｙｓｔｅｍ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８．［９］ＡｒａｕｊｏＧＡＬ，ＪｕｎｉｏｒＲｅｇｉｎａｒｄｏＴＬ，ＦｒｅｉｒｅＲＣＳ，ｅｔａ１．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒｆｏｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｆｌｏｗｉｎｔｈｅｆｏｒｃｅｄｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＤｉｇｉｔａｌＯｂｊｅｃｔＩｄｅｎｔｉｆｉｅｒ，２００７：１－４．［１Ｏ］丁向辉，李平，孟晓辉．．高精度超声波风速测量系统—设计与实现［Ｊ】．仪表技术与传感器，２０１１（２）：４１４４．ＤＩＮＧＸｉａｎｇ－ｈｕｉ，ＬＩＰｉｎｇ，ＭＥＮＧＸｉａｏ－ｈｕｉ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｈｉｌｇｈａｃｃｕｒａｃｙｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］．ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ，２０１１（２）：４１－４４．［１１］ＤｏｎｇｗｏｏＨａｎ，ＳｅｋｗａｎｇＰａｒｋ．Ａｓｔｕｄｙｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ［Ｃ】／／ＳｅｎｓｏｒｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，２０１１ＩＥＥＥＤｉｇｉｔａｌＯｂｊｅｃｔＩｄｅｎｔｉｆｉｅｒ，２０１１：ｌ１９．１２２．［１２］ＭｉｇｕｅｌＰｅｒｅｚＤｅｌＶａｌｌｅ，ＪｏｓｅＡｎｔｏｎｉｏＵｒｂａｎｏＣａｓｔｅｌａｎ，ＹａｓｕｈｉｒｏＭａｔｓｕｍｏｔｏ，ｅｔａ１．Ｌｏｗｃｏｓｔｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７：２１３．２】６．［１３］ＴａｎｇＳｈａｎ，ＦｅｄｅｒｓｐｉｅｌＣＣ，ＡｕｓｌａｎｄｅｒＤａｖｉｄＭ．Ｐｕｌｓｅｄ够ｐｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒｂａｓｅｄｏｎａｄｏｕｂｌｅＦＦＴ—ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ，２００３，１：３２６３３１．［１４］ＨＡＮＤＯＮＧｗＯＯ，ＫＩＭＳＵＮＧＨＹＵＮ，ＲＲＫⅥＳＥＫＮＦ．Ｔｗｏ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒｕｓｉｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙａｎｇｌｅｏｆａｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔ—ｒｏｎｉｃｓＪｏｕｒｎａｌ，２００８：ｌ１９５１１９９．［１５］ＲｏｏｈｏｌｌａｈＦａｄａｅｉｎｅｄｊａｄ，ＧｅｒｒｙＭｏｓｃｈｏｐｏｕｌｏｓ，ＭｅｈｒｄａｄＭｏａｌｌｅｍ．Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｏｗｅｒｓｈａｄｏｗ，ｙａｗｅｒｒｏｒ，ａｎｄ—ｗｉｎｄｓｈｅａｒｓｏｎｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｎａｗｉｎｄｄｉｅｓｅｌｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＤｉｇｉｔａｌＯｂｊｅｃｔＩｄｅｎｔｉｆｉｅｒ，２００９，２４（１）：１０２－ｌ１１．［１６］张玉良，杨从新，李仁年，等．风速梯度对风力机设计影响的理论分析［Ｊ】＿兰州理工大学学报，２００７，３３（３）：５５．５７．ＺＨＡＮＧＹｕ－ｌｉａｎｇ，ＹＡＮＧＣｏｎｇ－ｘｉｎ，ＬＩＲｅｎ－ｎｉａｎ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｆｆｅｃｔｓｏｆｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｇｒａｄｉｅｎｔｏｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈ—ｎｏｌｏｇｙ，２００７，３３（３）：５５５７．［１７］贺德馨，陈坤，张亮亮，等．风工程与工业空气动力学［Ｍ】．北京：国防工业出版社，２００６．ＨＥＤｅ－ｘｉｎ，ＣＨＥＮＫｕｎ，ＺＨＡＮＧＬｉａｎｇ－ｌｉａｎｇ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｗｉｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｉｒｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｃｅＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，２００６．［１８］ＴａｈｅｒＡＭ，ＡｄａｍＩＧＮｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｆａｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｏｖｅｒｔｒｉｐｌｅｆｏｒｗａｒｄｆａｃｉｎｇｓｔｅｐ［Ｊ］．—ＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，５：３０３３０７．［１９］杜燕军，冯长青．风切变指数在风电场风资源评估中的应用［Ｊ］．电网与清洁能源，２０１０，２６（５）：６２．６６．ＤＵＹａｎ－ｊｕｎ，ＦＥＮＧＣｈａｎｇ－ｑｉｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｗｉｎｄｓｈｅａｒｉｎｄｅｘｉｎｔｈｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｒｅｓｏｕｒｃｅｓｏｆｗｉｎｄｆａｒｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍａｎｄＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙ，２０１０，２６（５）：６２－６６．［２０］张志国，刘万东．基于ＦＰＧＡ的超声波测向装置设计［Ｊ］电力系统保护与控制，２００９，３７（２３）：１８２．１８４．ＺＨＡＮＧＺｈｉ－ｇｕｎ，ＬＩＵＷａｎ－ｄｏｎｇ．ＤｅｓｉｇｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｒｅｃｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｂａｓｅｄｏｆＦＰＧＡ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ—ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（２３）：１８２１８４．［２１］ＩＥＣ６１４００－１ｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｓ］．２００５．—收稿日期：２０１卜０７１７：—修回日期：２０１卜０３３０作者简介：周封（１９７Ｏ一），男，博士，教授，研究方向为电机综合物理场仿真计算、新能源发电及监测控制、工业设备节能控制与故障监测；Ｅ．ｍａｉｌ：ｆ．ｚｈｏｕ＠１６３．ｃｏｍ李翠（１９８６－），女，硕士研究生，研究方向为风力发电在线监控及资源评估；王晨光（１９８４一），男，硕士，助教，研究方向为工业节能控制技术。