?機艙式激光雷達在風機功率曲線測試中的應用與實例分析

 　　引言

功率曲線測試，是一種較為客觀的評價風機性能的方法，是風機性能優化、風機研發測試等一系列研究工作的前提。近十幾年，中國風電行業保持了長時間、高速度的發展，主流風機的單機容量、葉輪直徑越來越大，根據IEC的功率曲線測量標準，要測量風機前方更遠距離的風速[1]。同時，越來越復雜的風電場現場，使得風機面對更為復雜的風速狀況，對風機功率曲線、風機性能評估提出了更高、更復雜的要求[2]。

常規功率曲線測量的周期較長，并且需要單獨建造測風塔，有時還會涉及到復雜的場地標定。新形勢下，功率曲線測試的發展方向是：準確可靠、高效快速、高性價比、可識別復雜風場狀況。近年來，激光雷達(LightDetection andRanging，簡稱LiDAR)，發展迅速，已經成為風機功率曲線測試的重要方式，得到了風電行業的認可。激光雷達，是利用激光來進行探測的遙感設備，利用氣溶膠的多普勒效應進行風場測量。測風激光雷達采用可見光或近紅外波段進行主動遙感測量，具有下列優點：高時空分辨率、強抗干擾能力、準確的測量精度、可全天不間斷工作。

隨著激光雷達在功率曲線測試方面的應用，國際電工委員IEC也在不斷更新和發布更多的測試標準。在2012年，IEC64100-12-1標準，增加了地面遙感測風設備進行功率曲線測試的規定[3]。IEC64100-50-3標準也計劃在2021年發布，針對機艙式激光雷達功率曲線測試明確了要求。激光雷達，越來越成為風電行業在功率曲線測量方面的選擇。

1.項目介紹

為了驗證機艙式激光雷達對風場的測量性能，本項目通過將機艙式激光雷達和IEC標準的測風塔、地面激光雷達進行對比。測試風機是一臺8MW風機，葉輪直徑167米，輪轂高度120米。測量場地，選在在丹麥技術大學DTU的Østerild測試場地，測量時間從2019年6月至2020年2月，一共進行了9個月的測量。項目的設備分布圖、詳細信息，詳見圖1和表1.

在IEC61400-12-1中，功率曲線測試需要測量風機前2D到4D處的風速，推薦測量2.5D[3]。測量設備布置如下：1)Leosphere的WindCubeNacelle機艙式激光雷達(之前稱WindIris)，安裝在風機機艙上，最遠可以測量到風機前750米;2)一座高120米的完全符合IEC標準的測風塔，在風機前380米處;3)兩個地面激光雷達WindCube，位于風機前395米和550米處。

 

　圖1：項目設備與風機位置示意圖

    表1：項目選用設備型號與位置的詳細信息

2.測量結果

2.1 遠量程的數據有效率

激光雷達的數據有效率是功率曲線測試中的關鍵參數。十分鐘平均數據結果顯示，在750米的距離內，激光雷達的數據有效性，在87%至95%之間。該測試結果說明，長距離機艙式激光雷達在750米較遠的測量范圍內均保持了較好的數據有效率，長距離機艙式激光雷達具有很好的測風能力，可以充分測量750米風場的演化情況，完全勝任現在和以后一段時間內大葉輪風機功率曲線測試的要求。

圖2：各個測量距離的數據有效率

2.2 遠距離量程的性噪比

載波性噪比CNR，可以表示激光雷達接受到的返回信號的強度，下圖顯示了激光束上CNR分布。CNR的峰值在220米，在所有測量范圍上，信號強度均較好，表明激光雷達在750米的距離內的測量質量較好。

圖3：各個測量距離的信噪比CNR

　　2.3 風速測量精度

　　通過與測風塔、地面激光雷達進行比較，下圖是機艙式激光雷達的測試結果：1)機艙式激光雷達與IEC測風塔線性擬合公式為：y=0.995x+0.0367.相關系數平方為0.9905;2)機艙式激光雷達與550米處地面激光雷達的擬合公式為：y=1.0005x-0.0843.相關系數平方為0.9843.線性擬合結果的斜率、截距、相關系數均較好，機艙式激光雷達用作風機功率曲線測試的精度是可以信賴的。

2.4 測量效率

機艙式激光雷達隨著風機偏航、實時對準風向，可以較好地提升了測量效率。同時，相對于地面固定點的測量，機艙式激光雷達可以測量不同風向扇區的風機功率曲線，評估不同來流方向下的風機性能。

圖5是測量時段地面激光雷達的風速玫瑰圖。左圖是全部風速段下的風玫瑰圖;右圖是風速大于3m/s且小于20m/s時的風玫瑰圖。風速玫瑰圖表明，測量場地的主導風向為西風。

下表2是測量時間內，不同風向下的風速百分比。在西西南、西南兩個風向區間內，測風塔的代表性較好，在這兩個區間，時間的百分比之和為22.2%。但是如果采用機艙式激光雷達，其他風向下的風速測量也可用作功率曲線測試的樣本，可以顯著提高測量效率。如果不考慮其他因素，可提高測量效率4.5倍。

　　圖5：測量時段地面激光雷達的風速玫瑰圖(左圖：全部風速段;右圖：風速大于3m/s，且小于20m/s)

　　表2：測量時間內，不同風向下的風速百分比(單位：%)

　　3.結論

　　為了驗證機艙式激光雷達對風場的測量性能，本項目通過將機艙式激光雷達和符合IEC標準的測風塔、地面激光雷達進行對比。

　　1)機艙式激光雷達的測量精度較好：機艙式激光雷達與IEC測風塔線性擬合公式為：y=0.995x+0.0367.相關系數平方為0.9905;機艙式激光雷達與550米處地面激光雷達的擬合公式為：y=1.0005x-0.0843.相關系數平方為0.9843.線性擬合結果的斜率、截距、相關系數均較好，機艙式激光雷達用作風機功率曲線測試的精度是可以信賴的。

　　2)機艙式激光雷達隨著風機偏航、實時對準風向，可以較好地提升了測量效率。分析測量時間內不同風向下的風速百分比，機艙式激光雷達可以顯著提高測量效率，最大可提高測量效率4.5倍。

　　3)機艙式激光雷達的數據有效率，在750米的距離內，在87%至95%范圍之間，并且信噪比均較好。長距離機艙式激光雷達具有很好的測風能力，可以充分測量750米風場的演化情況，可用于現在和未來的大葉輪風機功率曲線測試的要求。

　　參考文獻：

　　[1]梁志，“機艙式激光雷達在風電后市場領域的應用方向與案例分析，”《風能產業》，2019.

　　[2] 劉陽林，葉小廣，楊超，and劉慶超，“一種風力發電機組功率曲線的驗證方法，”發電與空調，2017.

　　[3] IEC，“IEC61400-12-1 Wind turbines Part 12-1: Power performance measurements ofelectricity producing wind turbines，”2016.

　　作者：梁志 LeosphereSAS RobinCOTE

　　來源：《風能產業》2022.04