鑒衡認(rèn)證中心吳旭紅：三維方法對(duì)風(fēng)資源評(píng)估的影響

2023年10月16日-20日，2023北京國(guó)際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)（CWP2023）在北京如約召開。作為全球風(fēng)電行業(yè)年度最大的盛會(huì)之一，這場(chǎng)由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國(guó)內(nèi)外參會(huì)代表共同參與的風(fēng)能盛會(huì)，再次登陸北京，聚焦中國(guó)能源革命的未來。

本屆大會(huì)以“構(gòu)筑全球穩(wěn)定供應(yīng)鏈 共建能源轉(zhuǎn)型新未來”為主題，將歷時(shí)四天，包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對(duì)話、創(chuàng)新劇場(chǎng)以及關(guān)于“全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)布局及供應(yīng)鏈安全”“雙碳時(shí)代下的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展前景”“國(guó)際風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資機(jī)會(huì)”“風(fēng)電機(jī)組可靠性論壇”等不同主題的21個(gè)分論壇。能見App全程直播本次大會(huì)。

10月17日上午，鑒衡認(rèn)證中心吳旭紅在“風(fēng)資源技術(shù)論壇上”發(fā)表了題目為《三維方法對(duì)風(fēng)資源評(píng)估的影響》的主旨發(fā)言。

以下為演講全文：

大家上午好，很高興也很榮幸有這個(gè)機(jī)會(huì)與大家聚在一起交流分享，我接下來分享的內(nèi)容是《三維方法對(duì)風(fēng)資源評(píng)估的影響》，分三部分：常用的測(cè)風(fēng)設(shè)備、矢量研究、結(jié)論。

常用的測(cè)風(fēng)設(shè)備，風(fēng)速是氣流的定向流動(dòng)，其空間截面上的風(fēng)速不同，其測(cè)量的精細(xì)度和準(zhǔn)確度直接影響風(fēng)資源輸出的準(zhǔn)確性和可靠性。常用的測(cè)量設(shè)備，包括機(jī)械式的傳感器，超聲波傳感器，測(cè)風(fēng)雷達(dá)（包括激光雷達(dá)、聲雷達(dá)、毫米波雷達(dá)），測(cè)風(fēng)雷達(dá)都是通過器械傳感器標(biāo)定的，所以只分析差異。

先看傳感器的測(cè)量原理，機(jī)械式風(fēng)杯傳感器測(cè)量原理，同樣的氣流在上面產(chǎn)生扭矩力，使其產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)速，項(xiàng)目上普遍用的是機(jī)械傳感器，原理導(dǎo)致只能測(cè)平均風(fēng)速。機(jī)械傳感器的輸出是正懸波、方波，輸出的頻率是正比實(shí)際風(fēng)速的大小。

三杯式風(fēng)速機(jī)也是常用的傳感器，接下來介紹一下超聲波傳感器，它的測(cè)量原理是脈沖在原固定距離L傳播時(shí)，順風(fēng)時(shí)是脈沖風(fēng)速+風(fēng)速分量，逆風(fēng)是脈沖風(fēng)速-風(fēng)速分量。通過T1和T2可以得到風(fēng)速分量，右邊是示意圖（圖片），常用的傳感器有三個(gè)探頭，以互相垂直的方式，同時(shí)獲得三個(gè)方向上的風(fēng)量，可以得到水平面的風(fēng)速風(fēng)向，也可以直接得到三個(gè)空間上的風(fēng)速風(fēng)量。

介紹完原理后，接下來基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做對(duì)比。橘色的線是風(fēng)杯傳感器，藍(lán)色是超聲波傳感器的數(shù)據(jù)，在小風(fēng)速段風(fēng)杯傳感器的測(cè)量是比超聲波傳感器測(cè)的低10%-30%，而在高風(fēng)段包含風(fēng)速增加，以及風(fēng)速減少的時(shí)間段，風(fēng)速要比超聲波大12%。

另外常用的機(jī)械傳感器，對(duì)于溫度有敏感的特性，從圖上可以看到風(fēng)速越小，其實(shí)對(duì)溫度越敏感。我們常用6米的風(fēng)速，零下20度只有室穩(wěn)時(shí)的96.5%，如果風(fēng)速低到4米后，零下20度的風(fēng)速只有室穩(wěn)94.5%。

這張圖是風(fēng)杯傳感器不同的響應(yīng)，可以看到機(jī)械傳感器響應(yīng)比較差，正常響應(yīng)是沿著黑色的線，但實(shí)際上風(fēng)加速比跑到黑色的線上面。這樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的水平風(fēng)速偏大，總結(jié)下來是介質(zhì)傳感器因?yàn)槟Σ亮Φ脑驎?huì)小于真實(shí)風(fēng)速，高風(fēng)速段又會(huì)大于真實(shí)的風(fēng)速。低溫測(cè)量的值，較常溫值是偏低的，機(jī)械傳感器對(duì)于角度的能力，使得測(cè)量的風(fēng)速是偏高的。

機(jī)械傳感器風(fēng)杯和轉(zhuǎn)軸容易受到環(huán)境影響的損害，所以在復(fù)雜環(huán)境中，由于風(fēng)杯風(fēng)速導(dǎo)致風(fēng)資源評(píng)估的不確定性相對(duì)較大，相比之下超聲波傳感器會(huì)對(duì)快速變化的風(fēng)速實(shí)現(xiàn)測(cè)量，能夠達(dá)到極高的精度和準(zhǔn)確度，因其測(cè)量原理，長(zhǎng)期的一致性也是非常好的。

風(fēng)杯傳感器使用之前有標(biāo)定，使用一兩年之后再去標(biāo)定，風(fēng)杯傳感器一般建議使用2年左右，但是超過3年變化就不是線性的。風(fēng)杯傳感器標(biāo)定一次之后，隔四五年再次標(biāo)定，參數(shù)也是沒有什么變化的。

下面介紹第二部分主要是標(biāo)量和矢量處理風(fēng)數(shù)據(jù)的研究，這邊有一個(gè)例子，10分鐘內(nèi)風(fēng)速大小一直是6m/s，風(fēng)向以遞增的方式從0度變成180度，這種情況下平均風(fēng)速是多少？標(biāo)準(zhǔn)差和湍流又是多少？

第二部分介紹兩種方法的計(jì)算公式，其中UX、UI、UZ是橫向分量、縱向分量，G是時(shí)間間隔。按照行業(yè)間隔來說，這個(gè)T是10分鐘。其中平面二維計(jì)算，只考慮其中的UX和UI，三維是三個(gè)量都要考慮進(jìn)去。

回到剛剛的問題，按照平常的標(biāo)量來算，10分鐘的風(fēng)速一直是6m/s，因?yàn)轱L(fēng)速?zèng)]有變化，所以標(biāo)準(zhǔn)差和湍流都是0。如果按照矢量計(jì)算，這邊會(huì)分解到平面上UX和UI，分解完之后在Y軸上從正6到負(fù)6的變化，在X軸是0-6m/s。用矢量計(jì)算完平均風(fēng)速是3.7985m/s，X軸和Y軸湍流可以看到1.12和0.05%。

矢量可以更好的反應(yīng)風(fēng)速特征，我們也基于原始采樣數(shù)據(jù)，分別用標(biāo)量和矢量做分析對(duì)比。下面是基于4月份超聲波數(shù)據(jù)，分別用標(biāo)量法和矢量法計(jì)算的結(jié)果，二維差異基本上是在1%以內(nèi)，空間三維風(fēng)速是接近1.5%。

另外，根據(jù)測(cè)的4個(gè)月數(shù)據(jù)又做了分辨處理。當(dāng)風(fēng)速大于9.5m/s的時(shí)候，平均偏差在5%，在4-5m/s最大差值可以達(dá)到25%。這兩種方法在低風(fēng)速段差異比較大，影響也是比較大的。

按照日平均做統(tǒng)計(jì)，藍(lán)色的線是空間標(biāo)量除矢量，從圖上可以看到每天11點(diǎn)-17天之間，兩者計(jì)算差異比較大，最大的差值是在6%以上，其余的時(shí)間段是2%以內(nèi)。這個(gè)時(shí)間段，恰好是風(fēng)矢量變化，標(biāo)量法計(jì)算的結(jié)果會(huì)有較大的誤差。

一般就前面第一部分機(jī)械的疊加，標(biāo)量法計(jì)算是5-6%，會(huì)有0.2%-0.4%的高估。

這張圖是平面的標(biāo)量，下面是空間的標(biāo)量。可以看到平面和湍流變化還是挺劇烈的，而且這兩個(gè)時(shí)間段也是很相似，湍流也是計(jì)算很大的區(qū)域，風(fēng)速的變化必須按照空間矢量測(cè)量和處理才有意義。

這是平面標(biāo)量減U方向湍流的差值，可以看到標(biāo)量法計(jì)算的軸向，差異的結(jié)果最高超過20%，對(duì)評(píng)估影響是比較大的。因?yàn)槲覀儼凑帐噶坑?jì)算會(huì)有三個(gè)方面的湍流，V方向、V方向縱向、W方向豎向，這張圖是V方向比W方向，差值在0.5-1.2附近，部分時(shí)段可以是軸向的2-3倍，這個(gè)必須得用三維按矢量處理才可以達(dá)到。

這張圖是豎向與軸向的比值，波動(dòng)也是比較大的。部分時(shí)段超過1，湍流增加0.01%，載荷會(huì)超過0.5%，所以在比較大的地區(qū)，只有測(cè)量三維風(fēng)速才能統(tǒng)計(jì)出實(shí)際的情況，財(cái)政保證分析結(jié)果的有效性。

超聲波可以達(dá)到比較高的精度，機(jī)械傳感器受到摩擦、溫度等因素，在復(fù)雜環(huán)境中測(cè)量不確定性比較大。在垂直分量較大，水平劇烈，計(jì)算誤差也是比較大的，通常會(huì)高出水平平均強(qiáng)度，且無法按照風(fēng)機(jī)結(jié)算的要求給出三個(gè)方向的湍流強(qiáng)度，影響計(jì)算環(huán)境工況的準(zhǔn)確性，特別是復(fù)雜地形的時(shí)候，我們建議使用超聲波測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，并且處理三維數(shù)據(jù)，提高機(jī)組適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。

后續(xù)，我們也會(huì)在這方面做深入研究，希望行業(yè)內(nèi)的同仁可以一起參與進(jìn)來，謝謝大家。

（根據(jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）