引言

功率曲線測(cè)試，是一種較為客觀的評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)性能的方法，是風(fēng)機(jī)性能優(yōu)化、風(fēng)機(jī)研發(fā)測(cè)試等一系列研究工作的前提。近十幾年，中國(guó)風(fēng)電行業(yè)保持了長(zhǎng)時(shí)間、高速度的發(fā)展，主流風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量、葉輪直徑越來(lái)越大，根據(jù)IEC的功率曲線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，要測(cè)量風(fēng)機(jī)前方更遠(yuǎn)距離的風(fēng)速[1]。同時(shí)，越來(lái)越復(fù)雜的風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)，使得風(fēng)機(jī)面對(duì)更為復(fù)雜的風(fēng)速狀況，對(duì)風(fēng)機(jī)功率曲線、風(fēng)機(jī)性能評(píng)估提出了更高、更復(fù)雜的要求[2]。

常規(guī)功率曲線測(cè)量的周期較長(zhǎng)，并且需要單獨(dú)建造測(cè)風(fēng)塔，有時(shí)還會(huì)涉及到復(fù)雜的場(chǎng)地標(biāo)定。新形勢(shì)下，功率曲線測(cè)試的發(fā)展方向是：準(zhǔn)確可靠、高效快速、高性價(jià)比、可識(shí)別復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)狀況。近年來(lái)，激光雷達(dá)(LightDetection andRanging，簡(jiǎn)稱LiDAR)，發(fā)展迅速，已經(jīng)成為風(fēng)機(jī)功率曲線測(cè)試的重要方式，得到了風(fēng)電行業(yè)的認(rèn)可。激光雷達(dá)，是利用激光來(lái)進(jìn)行探測(cè)的遙感設(shè)備，利用氣溶膠的多普勒效應(yīng)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)測(cè)量。測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)采用可見(jiàn)光或近紅外波段進(jìn)行主動(dòng)遙感測(cè)量，具有下列優(yōu)點(diǎn)：高時(shí)空分辨率、強(qiáng)抗干擾能力、準(zhǔn)確的測(cè)量精度、可全天不間斷工作。

隨著激光雷達(dá)在功率曲線測(cè)試方面的應(yīng)用，國(guó)際電工委員IEC也在不斷更新和發(fā)布更多的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。在2012年，IEC64100-12-1標(biāo)準(zhǔn)，增加了地面遙感測(cè)風(fēng)設(shè)備進(jìn)行功率曲線測(cè)試的規(guī)定[3]。IEC64100-50-3標(biāo)準(zhǔn)也計(jì)劃在2021年發(fā)布，針對(duì)機(jī)艙式激光雷達(dá)功率曲線測(cè)試明確了要求。激光雷達(dá)，越來(lái)越成為風(fēng)電行業(yè)在功率曲線測(cè)量方面的選擇。

1.項(xiàng)目介紹

為了驗(yàn)證機(jī)艙式激光雷達(dá)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量性能，本項(xiàng)目通過(guò)將機(jī)艙式激光雷達(dá)和IEC標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)風(fēng)塔、地面激光雷達(dá)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試風(fēng)機(jī)是一臺(tái)8MW風(fēng)機(jī)，葉輪直徑167米，輪轂高度120米。測(cè)量場(chǎng)地，選在在丹麥技術(shù)大學(xué)DTU的Østerild測(cè)試場(chǎng)地，測(cè)量時(shí)間從2019年6月至2020年2月，一共進(jìn)行了9個(gè)月的測(cè)量。項(xiàng)目的設(shè)備分布圖、詳細(xì)信息，詳見(jiàn)圖1和表1.

在IEC61400-12-1中，功率曲線測(cè)試需要測(cè)量風(fēng)機(jī)前2D到4D處的風(fēng)速，推薦測(cè)量2.5D[3]。測(cè)量設(shè)備布置如下：1)Leosphere的WindCubeNacelle機(jī)艙式激光雷達(dá)(之前稱WindIris)，安裝在風(fēng)機(jī)機(jī)艙上，最遠(yuǎn)可以測(cè)量到風(fēng)機(jī)前750米;2)一座高120米的完全符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)風(fēng)塔，在風(fēng)機(jī)前380米處;3)兩個(gè)地面激光雷達(dá)WindCube，位于風(fēng)機(jī)前395米和550米處。

 

　圖1：項(xiàng)目設(shè)備與風(fēng)機(jī)位置示意圖

    表1：項(xiàng)目選用設(shè)備型號(hào)與位置的詳細(xì)信息

2.測(cè)量結(jié)果

2.1 遠(yuǎn)量程的數(shù)據(jù)有效率

激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)有效率是功率曲線測(cè)試中的關(guān)鍵參數(shù)。十分鐘平均數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在750米的距離內(nèi)，激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)有效性，在87%至95%之間。該測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，長(zhǎng)距離機(jī)艙式激光雷達(dá)在750米較遠(yuǎn)的測(cè)量范圍內(nèi)均保持了較好的數(shù)據(jù)有效率，長(zhǎng)距離機(jī)艙式激光雷達(dá)具有很好的測(cè)風(fēng)能力，可以充分測(cè)量750米風(fēng)場(chǎng)的演化情況，完全勝任現(xiàn)在和以后一段時(shí)間內(nèi)大葉輪風(fēng)機(jī)功率曲線測(cè)試的要求。

圖2：各個(gè)測(cè)量距離的數(shù)據(jù)有效率

2.2 遠(yuǎn)距離量程的性噪比

載波性噪比CNR，可以表示激光雷達(dá)接受到的返回信號(hào)的強(qiáng)度，下圖顯示了激光束上CNR分布。CNR的峰值在220米，在所有測(cè)量范圍上，信號(hào)強(qiáng)度均較好，表明激光雷達(dá)在750米的距離內(nèi)的測(cè)量質(zhì)量較好。

圖3：各個(gè)測(cè)量距離的信噪比CNR

　　2.3 風(fēng)速測(cè)量精度

　　通過(guò)與測(cè)風(fēng)塔、地面激光雷達(dá)進(jìn)行比較，下圖是機(jī)艙式激光雷達(dá)的測(cè)試結(jié)果：1)機(jī)艙式激光雷達(dá)與IEC測(cè)風(fēng)塔線性擬合公式為：y=0.995x+0.0367.相關(guān)系數(shù)平方為0.9905;2)機(jī)艙式激光雷達(dá)與550米處地面激光雷達(dá)的擬合公式為：y=1.0005x-0.0843.相關(guān)系數(shù)平方為0.9843.線性擬合結(jié)果的斜率、截距、相關(guān)系數(shù)均較好，機(jī)艙式激光雷達(dá)用作風(fēng)機(jī)功率曲線測(cè)試的精度是可以信賴的。

2.4 測(cè)量效率

機(jī)艙式激光雷達(dá)隨著風(fēng)機(jī)偏航、實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，可以較好地提升了測(cè)量效率。同時(shí)，相對(duì)于地面固定點(diǎn)的測(cè)量，機(jī)艙式激光雷達(dá)可以測(cè)量不同風(fēng)向扇區(qū)的風(fēng)機(jī)功率曲線，評(píng)估不同來(lái)流方向下的風(fēng)機(jī)性能。

圖5是測(cè)量時(shí)段地面激光雷達(dá)的風(fēng)速玫瑰圖。左圖是全部風(fēng)速段下的風(fēng)玫瑰圖;右圖是風(fēng)速大于3m/s且小于20m/s時(shí)的風(fēng)玫瑰圖。風(fēng)速玫瑰圖表明，測(cè)量場(chǎng)地的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)。

下表2是測(cè)量時(shí)間內(nèi)，不同風(fēng)向下的風(fēng)速百分比。在西西南、西南兩個(gè)風(fēng)向區(qū)間內(nèi)，測(cè)風(fēng)塔的代表性較好，在這兩個(gè)區(qū)間，時(shí)間的百分比之和為22.2%。但是如果采用機(jī)艙式激光雷達(dá)，其他風(fēng)向下的風(fēng)速測(cè)量也可用作功率曲線測(cè)試的樣本，可以顯著提高測(cè)量效率。如果不考慮其他因素，可提高測(cè)量效率4.5倍。

　　圖5：測(cè)量時(shí)段地面激光雷達(dá)的風(fēng)速玫瑰圖(左圖：全部風(fēng)速段;右圖：風(fēng)速大于3m/s，且小于20m/s)

　　表2：測(cè)量時(shí)間內(nèi)，不同風(fēng)向下的風(fēng)速百分比(單位：%)

　　3.結(jié)論

　　為了驗(yàn)證機(jī)艙式激光雷達(dá)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量性能，本項(xiàng)目通過(guò)將機(jī)艙式激光雷達(dá)和符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)風(fēng)塔、地面激光雷達(dá)進(jìn)行對(duì)比。

　　1)機(jī)艙式激光雷達(dá)的測(cè)量精度較好：機(jī)艙式激光雷達(dá)與IEC測(cè)風(fēng)塔線性擬合公式為：y=0.995x+0.0367.相關(guān)系數(shù)平方為0.9905;機(jī)艙式激光雷達(dá)與550米處地面激光雷達(dá)的擬合公式為：y=1.0005x-0.0843.相關(guān)系數(shù)平方為0.9843.線性擬合結(jié)果的斜率、截距、相關(guān)系數(shù)均較好，機(jī)艙式激光雷達(dá)用作風(fēng)機(jī)功率曲線測(cè)試的精度是可以信賴的。

　　2)機(jī)艙式激光雷達(dá)隨著風(fēng)機(jī)偏航、實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，可以較好地提升了測(cè)量效率。分析測(cè)量時(shí)間內(nèi)不同風(fēng)向下的風(fēng)速百分比，機(jī)艙式激光雷達(dá)可以顯著提高測(cè)量效率，最大可提高測(cè)量效率4.5倍。

　　3)機(jī)艙式激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)有效率，在750米的距離內(nèi)，在87%至95%范圍之間，并且信噪比均較好。長(zhǎng)距離機(jī)艙式激光雷達(dá)具有很好的測(cè)風(fēng)能力，可以充分測(cè)量750米風(fēng)場(chǎng)的演化情況，可用于現(xiàn)在和未來(lái)的大葉輪風(fēng)機(jī)功率曲線測(cè)試的要求。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]梁志，“機(jī)艙式激光雷達(dá)在風(fēng)電后市場(chǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用方向與案例分析，”《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》，2019.

　　[2] 劉陽(yáng)林，葉小廣，楊超，and劉慶超，“一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線的驗(yàn)證方法，”發(fā)電與空調(diào)，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(lái)源：《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》2022.04