陳鵬偉 曹貝貞 朱志權(quán)

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 上海 200241

1 研究背景

近年來,新能源發(fā)電技術(shù),尤其是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到世界各國的普遍重視。2019年,我國新增風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量高達(dá)25.74 GW,累積并網(wǎng)裝機(jī)容量210.05 GW[1]。在風(fēng)力發(fā)電市場井噴的背景下,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組事故屢見不鮮,業(yè)主從追求機(jī)組大功率逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾曪L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性[2]。超聲測風(fēng)儀是用于保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的“千里眼”,實(shí)時(shí)監(jiān)測風(fēng)向、風(fēng)速,為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主控系統(tǒng)提供氣象信息。超聲測風(fēng)儀穩(wěn)定運(yùn)行有助于功率曲線標(biāo)定,確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)確對風(fēng),降低葉片載荷,提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量。

超聲測風(fēng)儀作為測量傳感器安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙外部,容易受低溫、高溫、雨水、鹽霧、冰凍等外界環(huán)境因素影響[3]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受海島、高原等各種地形的影響,經(jīng)常面臨高海拔、低溫、大擾流、長期陰雨天氣、沿海、冰凍等多種自然環(huán)境[4],一旦超聲測風(fēng)儀出現(xiàn)故障,引起數(shù)據(jù)跳變等異常情況,將引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停機(jī)。特別是在我國西南地區(qū),每年6月至9月經(jīng)常出現(xiàn)超聲測風(fēng)儀信號異常情況,給有效提升超聲測風(fēng)儀的環(huán)境適應(yīng)性帶來了挑戰(zhàn),超聲測風(fēng)儀的可靠性水平需要進(jìn)一步提高。

2 超聲測風(fēng)儀工作原理

超聲測風(fēng)儀通常分為時(shí)差式和聲共振式。

時(shí)差式超聲測風(fēng)儀利用超聲時(shí)差法原理來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速和風(fēng)向的測量,工作原理如圖1所示。采用超聲換能器,發(fā)送和接收超聲波在空氣中傳播的時(shí)間,與風(fēng)速建立對應(yīng)函數(shù)關(guān)系,通過計(jì)算得到精確的風(fēng)速和風(fēng)向[5]。超聲換能器收發(fā)超聲波都是毫秒級的,對風(fēng)速和風(fēng)向的波動(dòng)很敏感,出現(xiàn)風(fēng)場擾流、陣風(fēng)、湍流,也會(huì)引起部分測風(fēng)數(shù)據(jù)的波動(dòng)。

圖1 時(shí)差式超聲測風(fēng)儀工作原理

聲共振式超聲測風(fēng)儀采用聲共振氣流傳感專利技術(shù)來準(zhǔn)確測量風(fēng)速和風(fēng)向。聲共振氣流傳感技術(shù)可以縮小傳感器尺寸,提高產(chǎn)品性能[6]。

聲共振式超聲測風(fēng)儀工作原理如圖2所示。超聲波由發(fā)射器發(fā)出,在上下反射器之間被反復(fù)反射,在極窄的頻段內(nèi)發(fā)生的所有反射共同構(gòu)成了一個(gè)極強(qiáng)的共振信號。在不到3 ms的時(shí)間內(nèi),可產(chǎn)生100次反射。

圖2 聲共振式超聲測風(fēng)儀工作原理

3 超聲測風(fēng)儀故障分析

超聲測風(fēng)儀的設(shè)計(jì)、選型、工藝、運(yùn)行環(huán)境等是影響自身可靠性的內(nèi)在深層因素,因此在分析超聲測風(fēng)儀故障時(shí),產(chǎn)品工程師和可靠性工程師應(yīng)了解超聲測風(fēng)儀的設(shè)計(jì)背景、工作原理和故障機(jī)理,這樣才能進(jìn)行有效的可靠性試驗(yàn)[7]。

調(diào)研故障情況,應(yīng)當(dāng)重視超聲測風(fēng)儀在風(fēng)電場中數(shù)據(jù)的積累,包括主控故障記錄、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)、維護(hù)維修運(yùn)營工單系統(tǒng)數(shù)據(jù)、風(fēng)云系統(tǒng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場反饋信息等。每個(gè)故障件故障現(xiàn)象的詳細(xì)描述包括故障時(shí)間、故障時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況、環(huán)境條件、故障件照片、現(xiàn)場人員初步推斷的故障原因等。

風(fēng)電場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量較大,在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,形成報(bào)告,對故障分析具有指導(dǎo)意義。經(jīng)收集統(tǒng)計(jì),超聲測風(fēng)儀現(xiàn)場主要反饋的問題如下:

(1) 中控室后臺顯示風(fēng)速為0,數(shù)據(jù)卡死,需斷電重啟可編程序控制器后才能恢復(fù);

(2) 供應(yīng)商對現(xiàn)場返還的故障超聲測風(fēng)儀檢測后,誤確認(rèn)超聲測風(fēng)儀完好,再當(dāng)備件發(fā)到現(xiàn)場;

(3) 當(dāng)兩個(gè)風(fēng)速或者風(fēng)向數(shù)據(jù)同時(shí)報(bào)出120 s延時(shí)故障時(shí),會(huì)引起停機(jī);

(4) 一個(gè)超聲測風(fēng)儀重復(fù)報(bào)出故障后,也會(huì)引起停機(jī);

(5) 海上項(xiàng)目中某品牌的超聲測風(fēng)儀頻繁報(bào)8018故障,復(fù)位后恢復(fù)正常。

超聲測風(fēng)儀位于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片后方,該位置存在極強(qiáng)的湍流,當(dāng)飛蟲、水滴等雜物進(jìn)入反射腔內(nèi)或電磁干擾、腐蝕等異常情況發(fā)生時(shí),超聲測風(fēng)儀會(huì)觸發(fā)狀態(tài)錯(cuò)誤,致使測量失效。據(jù)統(tǒng)計(jì),超聲測風(fēng)儀出現(xiàn)批量問題的典型風(fēng)電場多位于西南地區(qū)的山區(qū)[8]。這些山區(qū)都存在海拔高、濕度大、擾流大問題,并且每年有雨季。在每年6月至9月雨季,超聲測風(fēng)儀經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變等異常情況,異常數(shù)據(jù)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無數(shù)據(jù)可用或頻繁偏航、停機(jī),這是超聲測風(fēng)儀整個(gè)行業(yè)存在的問題[9]。初步分析,以下幾種情況可能導(dǎo)致此類現(xiàn)象發(fā)生:

(1) 發(fā)生風(fēng)速偏差故障,主控系統(tǒng)屏蔽了故障超聲測風(fēng)儀的數(shù)據(jù);

(2) 超聲測風(fēng)儀存在測量精度問題,或由于產(chǎn)品質(zhì)量問題而損壞;

(3) 存在現(xiàn)場風(fēng)況問題,如擾流、湍流、陣風(fēng)等,產(chǎn)生影響;

(4) 雨水、凝露、沙塵、昆蟲等附著在超聲測風(fēng)儀的超聲換能器上,使超聲波傳播路徑發(fā)生偏移;

(5) 線路欠壓,連接松動(dòng)或未做好接地;

(6) 雷擊,雷電波損毀芯片;

(7) 線路老化,導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)偏移,甚至使設(shè)備損壞;

(8) 超聲測風(fēng)儀不適合用于某些環(huán)境惡劣的風(fēng)電場;

(9) 主控系統(tǒng)控制策略存在優(yōu)化空間。

最終確定超聲測風(fēng)儀在西南地區(qū)不能成功測量的主要原因是雨滴遮擋了超聲測風(fēng)儀中的超聲換能器。由于超聲換能器尺寸很小,因此只要有一顆稍大的水珠停留在超聲換能器上,超聲換能器就不能有效將超聲波發(fā)射出去,也不能接收超聲波。超聲波的傳播路徑還會(huì)發(fā)生改變,使測量產(chǎn)生波動(dòng)。

超聲換能器表面掛珠過程如圖3所示。超聲換能器附著一些小水珠,小水珠會(huì)越來越多,然后匯聚成大水珠。匯聚成的大水珠體積越來越大,最后會(huì)因?yàn)橹亓Φ淖饔脧某晸Q能器上滑落,這一過程周而復(fù)始。在觀察掛珠過程的同時(shí),觀察接收到的超聲波功率,發(fā)現(xiàn)隨著掛珠的增加,接收到的超聲波功率越來越低,當(dāng)水珠快要滑落時(shí),接收到的超聲波幾乎被噪聲覆蓋。

圖3 超聲換能器表面掛珠過程

4 測試驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證超聲換能器的表面掛珠過程,筆者搭建雨霧模擬裝置,選擇市場中兩種不同的超聲測風(fēng)儀進(jìn)行對比分析,觀察超聲換能器表面掛珠過程對信號傳輸?shù)挠绊慬10]。雨霧模擬裝置利用風(fēng)洞和淋雨裝置聯(lián)合模擬風(fēng)與雨霧天氣,淋雨裝置的加壓純凈水通過細(xì)小噴嘴形成雨霧,風(fēng)洞提供恒定風(fēng)速,并將雨霧吹至超聲測風(fēng)儀,雨霧在超聲換能器表面形成凝露。通過數(shù)據(jù)采集裝置,記錄超聲測風(fēng)儀的數(shù)據(jù)變化情況。

經(jīng)過測試觀察,超聲測風(fēng)儀B的超聲換能器疏水能力較差,比超聲測風(fēng)儀A的表面雨水附著率高,數(shù)據(jù)波動(dòng)幅值相對比較大,從而判斷水珠對測風(fēng)數(shù)據(jù)的波動(dòng)有明顯影響。測試驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。為盡可能地降低水珠對測風(fēng)準(zhǔn)確性的影響,在超聲測風(fēng)儀設(shè)計(jì)和使用階段,提高超聲換能器表面涂層的疏水性能。另一方面,通過軟件濾波算法,最大程度優(yōu)化超聲換能器在掛珠情況下的工作性能,提高超聲測風(fēng)儀的環(huán)境適應(yīng)能力,進(jìn)而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性。

圖4 掛珠過程數(shù)據(jù)波動(dòng)

5 結(jié)束語

超聲測風(fēng)儀的可靠性是提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率的重要因素,通過觀察典型風(fēng)電場中超聲測風(fēng)儀頻發(fā)的數(shù)據(jù)跳變等異?，F(xiàn)象,分析確認(rèn)由超聲測風(fēng)儀中的超聲換能器表面掛珠引起。設(shè)計(jì)了模擬西南地區(qū)陰雨環(huán)境的測試方法,對超聲測風(fēng)儀超聲換能器涂層、控制算法進(jìn)行測試驗(yàn)證評價(jià),為超聲測風(fēng)儀的研發(fā)和使用提供了有效的依據(jù),可以避免超聲測風(fēng)儀故障導(dǎo)致的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量損失、人工和物料浪費(fèi)等實(shí)際問題。