CN101776695B - 风力发电系统风速风向测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于低风速地区的风力发电系统用风速风向测量方法，其特征在于：风速仪、风向仪安装在风轮扫略面的下方杆塔上进行风速、风向测量。本发明适宜在年平均风速4m/s～6m/s的低风速风力发电系统上使用，风速仪、风向仪距风轮扫略面垂直距离最少1.5米，距杆塔外边缘2倍的杆塔直径。采用本发明可保证低风速环境下风速、风向的准确测量，避免将风速仪、风向仪安装在机舱尾部，因风轮低速转动引起涡流造成的风速、风向测量不准的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统，尤其是涉及一种低额定转速风力发电系统风速风向测量方法，属于风力发电技术领域。
背景技术
陆地风能资源区域，以年平均风功率密度为指标，可划分为4个区，即风能资源丰富区、风能资源较丰富区、风能资源可利用区、风能资源贫乏区。以中国为例，陆地风能资源分区及占全国国土面积的百分比见表1。中国陆地风能资源可利用的区域占国土面积约76％。表1为中国陆地风能资源分区及占全国国土面积的百分比。
表1
目前规模化的风能开发利用主要在风能资源丰富的高风速区，即集中在三北地区和东南沿海，这部分地区仅占国土面积的8％；而风能资源较丰富区和风能资源可利用区，属年均风速≥3.5m/s小时数为2000～5000小时的低风速区，风能资源没有得到有效开发利用。
为实现低风速地区风能资源的有效利用，必须有适用的低额定风速风力发电机。现有风力发电技术在低风速地区的应用存在如下局限：
(1)额定风速高，一般在8～12m/s间。低风速地区，尤其是风能资源可利用区，年平均风速一般处于蒲氏3级(3.4m/s～5.4m/s)或略高，高额定风速风力发电机不适用。
(2)中、小功率(50kW及以下功率)风力发电机，一般都采用直驱方式。低风速地区使用，因风机转速较低(80rpm以下)，采用常规高额定转速(150rpm及以上)发电机难以满足匹配要求，而配置低额定转速发电机，又存在体积、重量大，费用高的问题。
(3)直驱型风电机，当叶轮直径过大，如超过10米时，偶发性大风下转速大，叶轮的安全隐患过大。
(4)现有风力发电机叶片翼型，最佳风能利用系数的风速区段一般为8～12m/s间，低风速条件下，尤其是低于6m/s风速区段时，风能利用系数较差，难以满足低风速条件下俘获风能最大化。
(5)常规中、小功率风电机一般采用永磁同步发电机，因齿槽效应的作用，发电机在起动或运转时，会产生较大的起动转矩，且电磁转矩产生脉动。同时铁芯的应用使得发电机重量增大、铁芯损耗的存在又使损耗增大。
(6)常规风力发电系统将风速仪、风向仪安装于机舱尾部，因测量装置不断转动、低风速条件下叶片尾部紊流造成风速、风向测量不准。
综上所述，常规高额定风速风力发电机不适用于风能资源较丰富区和风能资源可利用区，针对低风速地区，需研制开发适用的低额定转速、高效、经济可靠的风力发电系统，以实现低风速环境下的高效、可靠风电功率转换。
发明内容
发明所要解决技术问题是提供一种适用于低风速地区的可降低测量误差的风力发电系统风速风向测量方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电系统风速风向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用风速仪和风向仪在风轮扫略面的下方杆塔上进行风速、风向测量，风速仪、风向仪距风轮扫略面垂直距离最少1.5米，距杆塔外边缘为2倍的杆塔直径；
2)控制系统基于测量的风速利用下式进行风速修正，得到轮毂高度处的风速，u2＝u1(z2/z1)p
式中：u1为风速仪安装处z1高度测得的风速；u2为z2高度，即轮毂高度处的风速；p为风速高度指数，即风切变指数，依赖于大气稳定度和地面粗糙度。可视具体安装位置进行实测计算得到，风切变指数p的获取方法为：在安装风力发电机前，分别在z1、z2高度安装风速仪进行24小时风速测量记录，根据记录数据，采用最小二乘法，对逐次测试得出的风速按不同时次分类拟合，求出不同时次风速变化的p指数值。
采用本发明测得的风向为绝对风向(风向基准为正北)，不同于常规风力发电系统将风向仪安装于机舱尾部而测得的相对风向(风向基准为旋转机舱的某一参考点)，其特征在于，测量点位置固定，没有因测量装置不断转动、叶片尾部紊流造成测量不准的问题，且测量风向与地面测量风向、公共天气预报风向有一定的一致性。
本发明所达到的有益效果：本发明在风轮扫略面的下方杆塔上进行风速、风向测量，同时控制系统进行风速修正，解决了低风速环境下，机舱尾部气流因受叶片转动的影响较大，风速风向测量误差较大的问题。本发明测得的风向为绝对风向，测量结果与地面测量风向、公共天气预报风向有一定的一致性，风力发电系统运行时可及时发现风向测量不准的问题。
附图说明
图1为本发明的测量方法的测量示意图。
具体实施方式
本发明有别于常规风力发电系统在机舱尾部进行风速风向测量，本发明利用风速仪2和风向仪1在风轮扫略面的下方杆塔上进行风速、风向测量。控制系统基于测量的风速进行风速修正，得到轮毂高度的风速，解决了低风速环境下，机舱尾部气流因受叶片转动的影响较大，风速风向测量误差较大的问题。
控制系统基于测量的风速利用下式进行风速修正，得到轮毂高度的风速，u2＝u1(z2/z1)p
式中：u1为风速仪安装处z1高度测得的风速；u2为z2高度，即轮毂高度处的风速；p为风速高度指数，即风切变指数，依赖于大气稳定度和地面粗糙度。可视具体安装位置进行实测计算得到。
风切变指数p的获取方法为：在安装风力发电机前，分别在u1、u2高度安装风速仪进行24小时风速测量记录，根据记录数据，采用最小二乘法，对逐次测试得出的风速按不同时次分类拟合，求出不同时次风速变化的P指数值。
以上已以较佳实施例公布本发明如上，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种风力发电系统风速风向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用风速仪和风向仪在风轮扫略面的下方杆塔上进行风速、风向测量，风速仪、风向仪距风轮扫略面垂直距离最少1.5米、距杆塔外边缘为2倍的杆塔直径；
2)控制系统基于测量的风速利用下式进行风速修正，得到轮毂高度处的风速，
u2＝u1(z2/z1)p
式中：u1为风速仪安装处z1高度测得的风速；u2为z2高度，即轮毂高度处的风速；p为风速高度指数，即风切变指数，风切变指数p的获取方法为：在安装风力发电机前，分别在z1、z2高度安装风速仪进行24小时风速测量、记录，根据记录数据，采用最小二乘法，对逐次测试得出的风速按不同时次分类拟合，求出不同时次风速变化的p指数值。
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