风力发电已经成为世界上开发最有成效、最具规模、最为活跃的可再生能源，我国对于风电事业也给予了高度重视和大力支持。目前国内风力发电机组大部分设备依靠进口，价格昂贵、采购周期长，加之国外设备提供商对先进技术出口的严格限制，严重制约了我国风电事业的发展。为此，国家能源局提出若干指导意见，鼓励引进、消化、吸收国外先进技术，提高风力发电机组、设备的国产化水平，降低风力发电场建设和运行费用^[1]。随着近年国内风电行业的迅猛发展，涉足测风设备制造的国内企业越来越多，无论从测量精度还是产品质量都明显提高，许多风力发电机组、设备的国产化替代改造已经具备条件。

内蒙古京能察右中风力发电有限责任公司察右中风电场（以下简称京能察右中风电场）共装备33台NORDEX公司生产的S70/1500型风力发电机组，测风设备采用德国LAMBRECHT公司生产的机械旋转式风向、风速仪。由于风电场地处半干旱草原地带，常年风沙较大，冬季气温寒冷，昼夜温差大，恶劣的自然环境常造成机械旋转式测风装置轴承损坏、卡死，寿命大大缩短，严重影响风力发电机组的可利用率。图 1为京能察右中风电场机械旋转式风速仪冬季运行状况。

图 1(Figure 1)

图 1 京能察右中风电场机械旋转式风速仪冬季运行状况

偏航系统主要由风向控制，准确对风能够使发电机组的发电效率最大化，也是机组可靠运行的重要保障。机械式测风设备长期运行会存在机械磨损、设备精度下降等问题，尤其是风向标不能帮助机舱精确对准风向。另外，风电场目前使用的进口测风设备价格昂贵、采购周期长，大大增加了风电场的运行成本。

超声波测风设备主要由电源模块、超声波发射接收模块、计时模块、控制及数据处理模块、超声波探头、信号输出模块等构成。

超声波在空气中的传播速度会和风向上的气流速度叠加，利用声波在已知距离两点之间的传播时间来推导风速。若要测量2个方向上的风速和风向，需要采用2对探头来测量二维风速，即水平方向的2个风速，然后进行正交合成计算得到水平面上的矢量风速。

超声波测风系统具有运行稳定可靠，测量精度高（风速误差＜0.5 m/s，风向误差＜2°），测量范围广（0~50 m/s），以及对恶劣工作环境的适应能力较强、使用寿命长、免维护等特点，能够很好地克服机械式测风设备的固有缺陷。国产超声波测风系统价格与进口机械式测风设备相当，制造厂家供货及售后服务响应及时，因此国产超声波测风系统是进口机械式测风设备的良好替代品^[2]。

超声波风速仪在风向测量、计算方面较先进，尤其在存在湍流气象条件的山区风场，效果尤为明显^[3]。

利用超声波测风设备可对机械式测风设备进行替换改造，改造内容如下。

选择超声波测风设备时，综合考虑了使用性能(包括准确性、可靠性及测量范围等)、现场安装维护条件、使用寿命以及成本等因素。经考察研究，决定采用北京科力新能科技有限公司生产的KSW-U标准型超声波测风仪，其主要性能参数见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 KSW—U型超声波风速仪参数表

表 1 KSW—U型超声波风速仪参数表

根据现场的使用要求对KSW-U超声波测风仪进行了配置。串口为RS485半双工传输模式，端口通信速率固定为9600 Bits/s，数据位8位，停止位1位，校验位无。配置数据以NEMA0183格式输出，输出速率100 ms，数据平均计算时间1 s。低温自动加热控制开启温度7 ℃。

超声波风速仪可以同时测量风速和风向，输出信号一般为4~20 mA电流信号或者RS485信号^[4]。NORDEX风力发电机组使用的风速仪的输出信号为0~500 Hz（0~50 m/s）的NPN信号，风向标的输出信号为0~20 mA（0~360°）。

改造时，不能直接将风速仪和风向标替换为超声波风速仪，必须先利用信号转换装置将超声波风速仪的信号转换为NORDEX风力发电机组能够识别的信号。本次改造使用意法半导体有限公司生产的基于ARM Cortex-M0内核的STM32F030单片机作为主控芯片，通过RS485接口接收超声波风速仪的风速、风向数据，然后通过外围电路分别产生当前风速对应频率的NPN信号和当前风向对应的电流信号。

NORDEX风力发电机组测风系统风向标输出0°~360°风向信息，采用0~20 mA电流环输出，NOR DEX机组PLC通过获取和处理这些数字信号，得到最终的风向、风速信息^[5]。根据NORDEX机组测风系统通信接口定义和超声波测风仪数字输出接口定义，模块的硬件采用微控制器为核心，扩展RS485通信模块以便获取实时风速、风向信息，与超声波测风仪进行通信，并利用微控制器通用I/O经过电平转换后，向风力发电机组通信系统输出风向和风速信号。此外，针对现场恶劣环境对模块的影响，该模块还进行了抗电磁干扰和防雷击的设计。规约模块的硬件组成见图 2。

图 2(Figure 2)

图 2 通信规约模块硬件结构

模块软件由初始化子程序、RS485通信子程序、0~20 mA电流环输出子程序和频率信号发生子程序4个部分组成，编程调试环境为KeilC51集成开发环境（SDK），采用C语言开发，程序可读性强，便于修改和维护。初始化子程序完成I/O端口分配，初始化定时计数器和串行口；RS485通信子程序完成模块与超声波测风仪的通信；0~20 mA电流环输出子程序完成将风向信息转换为0~20 mA电流环输出信号；频率信号发生子程序负责将风速信息转换为频率信号。模块与超声波测风仪采用NMEA0183通信协议进行通信，其中风速信息与频率信号的对应关系为：风速为每1 m/s线性对应频率信号10 Hz；风向信息与0~20 mA电流环的对应关系为0°~359.9°。模块软件流程见图 3。

图 3(Figure 3)

图 3 通信规约模块程序流程图

（1）电流环输出信号在0~0.05 mA内不成线性，大概为一元二次方程，大于0.05 mA时线性度良好，出厂前需分段进行分段标定。

（2）由于较新的风力发电机组在使用风向标时均以180°位置对准机头，所以所有超声波风速仪在设计时均以180°为基准，在0°和360°对准机头时会出现风向不准确的情况。NORDEX发电机组则要求0°位置对准机头，为了保证风向数据的准确性，必须将风速仪的180°位置对准机头，在设计转换器时通过软件把180°左右的角度转换成0°左右，这样即可保证超声波风速仪和NORDEX机组风向信号的兼容性。

（3）由于NORDEX机组的程序都是按照机械式风向标的特性编写的，而超声波风速仪与机械式风速仪在灵敏度、角度稳定性等方面存在差异，需通过软件进行修正，从而避免误发风向标故障信号。超声波风速仪的灵敏度高于机械式风速仪，而且机械式风速仪受温度影响较大，容易出现超声波风速仪所测风速大于机械式风速仪所测风速的情况，为了保证风力发电机组的发电效率，可根据现场情况，在编写程序时预留风速调节接口，通过RS485总线将修正公式输入转换装置以调节风速。

在完成超声波测风系统软硬件的安装、调试工作后，进行了测风系统改造前、后风力发电机组的功率对比试验，以验证超声波测风设备的可靠性和稳定性。选择风电场NORDEX的5号风力发电机组作为测试机组，对机组改造前1 a和改造后1 a的实时运行数据进行分析，图 4为改造前、后5号机组的功率曲线对比。

图 4(Figure 4)

图 4 功率曲线对比

从图 4可看出，测风系统改造后，相同风速下5号机组功率明显高于安装机械式测风设备时的功率，实发功率更接近标准功率。尤其是在3~8.5 m/s的小风天气中，改造后机组的功率曲线与标准功率曲线的跟随性非常好，即使在9~13 m/s的风速段，也明显优于改造前的功率曲线。改造后的风力发电机组在1 a的试验期内，测风系统运行稳定，未发生损坏或异常情况，未出现因风沙雨雪冰冻等恶劣天气导致的风速风向测量精度和准确性下降问题，超声波测风系统具有很高的运行可靠性和稳定性。

目前国产测风设备不仅在性能上能够满足风场要求，运行成本也低于进口测风设备，同时对提高机组发电效率、增加发电量亦有帮助。利用国产超声波测风设备对旋转式测风仪进行改造，有利于提高风力发电机组的利用率与稳定性，用国产超声波测风设备替代进口测风设备是完全可行的。