基于掃描式激光雷達(dá)的海上風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試方法

謝賢彬

(福建省新能海上風(fēng)電研發(fā)中心有限公司，福建 福州 350108)

0 引言

風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試的關(guān)鍵在于對(duì)自由流風(fēng)速的測(cè)量，現(xiàn)行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)應(yīng)選在距離被測(cè)機(jī)組2～4倍(宜選2.5倍)葉輪直徑的位置，同時(shí)需考慮地形變化、周圍障礙物和運(yùn)行機(jī)組對(duì)測(cè)試造成的尾流影響。目前陸上風(fēng)電場(chǎng)主要采用傳統(tǒng)測(cè)風(fēng)塔[2]和地面垂直式激光雷達(dá)[3]兩種方法進(jìn)行測(cè)風(fēng)，但由于在海上建造測(cè)風(fēng)塔和激光雷達(dá)支撐基礎(chǔ)的施工難度大，而且還涉及海域征用和測(cè)試結(jié)束后拆除等難題，導(dǎo)致采用這兩種方法進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試的周期長(zhǎng)、成本高、經(jīng)濟(jì)性差[4]。為此IEC提出了基于機(jī)艙風(fēng)速計(jì)法的功率曲線測(cè)試方法[5]，但該方法的測(cè)量誤差受場(chǎng)址條件和機(jī)組配置的影響較大[6]，在實(shí)際中難以推廣應(yīng)用。

隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，如何經(jīng)濟(jì)合理地對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組的功率曲線進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證成了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商、整機(jī)廠商和測(cè)試機(jī)構(gòu)共同關(guān)心的問題，因此為海上風(fēng)電機(jī)組的功率曲線測(cè)試尋求更為經(jīng)濟(jì)和高效的測(cè)風(fēng)方法顯得很有必要。掃描式激光雷達(dá)作為最新一代測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)的代表，應(yīng)用前景廣闊，近年來業(yè)內(nèi)許多專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[7] 基于最小二乘擬合算法，提出了采用數(shù)據(jù)有效率、殘差和信噪比等判據(jù)對(duì)掃描式激光雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制的方法，有效地提高了反演數(shù)據(jù)的精度。文獻(xiàn)[8] 基于梯度下降算法，提出了一種新的VAD風(fēng)場(chǎng)反演算法，可同時(shí)兼顧掃描式激光雷達(dá)的測(cè)量效率和準(zhǔn)確性，有效地提升了其對(duì)動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)能力。文獻(xiàn)[9] 在春季季風(fēng)間斷期間利用掃描式激光雷達(dá)進(jìn)行大氣風(fēng)廓線測(cè)量試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用激光雷達(dá)對(duì)海陸風(fēng)特征進(jìn)行觀測(cè)的可行性。文獻(xiàn)[10] 基于激光雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析驗(yàn)證了其在低空大氣急流結(jié)構(gòu)特征監(jiān)測(cè)中的有效性。以上研究表明，掃描式激光雷達(dá)經(jīng)過數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其測(cè)量精度已得到了很大提高，并已在氣象監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和飛行安全測(cè)試等領(lǐng)域得到了應(yīng)用[11]，但因風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試對(duì)風(fēng)速測(cè)量精度的要求更高，其適用性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文基于上述掃描式激光雷達(dá)設(shè)計(jì)了一套功率曲線測(cè)試系統(tǒng)，然后通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)闡述用其進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試的方法，并分析驗(yàn)證其可行性。

1 掃描式激光雷達(dá)介紹

掃描式激光雷達(dá)是一種新型結(jié)構(gòu)的測(cè)風(fēng)設(shè)備，原理上與地面式垂直激光雷達(dá)相似，不同之處在于其激光發(fā)射窗口安裝在一個(gè)角度可雙向(俯仰、圓周方向)調(diào)節(jié)的伺服掃描機(jī)構(gòu)上，可實(shí)現(xiàn)雙軸轉(zhuǎn)鏡的三維掃描，測(cè)試時(shí)無需像地面式垂直激光雷達(dá)那樣安裝在風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)的正下方，只需在激光雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)選擇合適的位置進(jìn)行安裝，然后采用固定仰角連續(xù)改變方位角的PPI掃描測(cè)量模式進(jìn)行測(cè)量即可。用它進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試時(shí)，需在目標(biāo)位置附近掃描一個(gè)扇區(qū)，測(cè)出同一層高處若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)的徑向風(fēng)速，然后通過VAD(Velocity Azimuth Display)反演計(jì)算得到目標(biāo)位置的水平風(fēng)速和風(fēng)向[7]。其中所采用的VAD反演方法要求風(fēng)場(chǎng)滿足水平均勻性假設(shè)條件，海上風(fēng)電場(chǎng)周邊均為平坦海面，符合這一使用要求。本研究所采用的掃描式激光雷達(dá)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 掃描式激光雷達(dá)的參數(shù)表

采用激光雷達(dá)的PPI掃描模式進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試的原理圖如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)的PPI掃描模式測(cè)量原理圖

其中掃描角度α的范圍和徑向風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，掃描仰角θ需根據(jù)目標(biāo)位置的高度和激光雷達(dá)的安裝位置計(jì)算得到。綜合考慮激光雷達(dá)的測(cè)量效率和精度，測(cè)試時(shí)將α的范圍設(shè)置為60°，并在目標(biāo)位置的同一層高均勻掃描測(cè)量7個(gè)點(diǎn)(如圖1中V1～V7)的徑向風(fēng)速，然后通過VAD反演計(jì)算得到目標(biāo)位置的水平風(fēng)速和風(fēng)向。

掃描式激光雷達(dá)還提供了溫度、濕度和大氣氣壓等測(cè)量?jī)x器的通信接口，配合外部安裝的儀器可同步采集對(duì)應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)。

2 功率曲線測(cè)試系統(tǒng)

結(jié)合功率曲線測(cè)試的具體要求設(shè)計(jì)了一套基于掃描式激光雷達(dá)的功率曲線測(cè)試系統(tǒng)，主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、大氣溫度、大氣濕度、大氣氣壓和凈有功功率(電流和電壓)等參量的測(cè)量以及相關(guān)機(jī)組狀態(tài)信號(hào)的采集，如圖2所示。

圖2 功率曲線測(cè)試系統(tǒng)組成

風(fēng)電機(jī)組輪轂中心高度處的水平風(fēng)速和風(fēng)向通過掃描式激光雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量，風(fēng)速精度為0.1 m/s，風(fēng)向精度為3°。大氣溫度、濕度和氣壓通過溫濕壓一體計(jì)進(jìn)行測(cè)量，將其安裝在激光雷達(dá)附近并接入激光雷達(dá)系統(tǒng)與風(fēng)速風(fēng)向同步采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理時(shí)將結(jié)果換算至輪轂中心高度。風(fēng)電機(jī)組的凈有功功率通過功率變送器進(jìn)行測(cè)量，功率變送器精度為0.5級(jí)。采用三個(gè)電流互感器對(duì)機(jī)組的每相電流分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)設(shè)在機(jī)組凈功率輸出位置，電流互感器精度為0.5級(jí)。對(duì)于大多數(shù)低壓側(cè)為690 V的風(fēng)電機(jī)組，本系統(tǒng)可直接在機(jī)組低壓側(cè)進(jìn)行電壓采樣，無需額外安裝電壓互感器。此外，數(shù)據(jù)篩選時(shí)所用的機(jī)組并網(wǎng)、限功率運(yùn)行、可利用等狀態(tài)信號(hào)，以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)時(shí)所需的機(jī)組SCADA功率，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、偏航角度、槳距角等參量直接從機(jī)組控制器引出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。凈有功功率和機(jī)組狀態(tài)信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與激光雷達(dá)系統(tǒng)通過GPS校時(shí)保證數(shù)據(jù)同步。

3 功率曲線測(cè)試試驗(yàn)

本試驗(yàn)介紹采用上述測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試的方法，并分析測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1 測(cè)試場(chǎng)地地形及測(cè)試扇區(qū)評(píng)估

測(cè)試場(chǎng)地位于我國(guó)南方某海上風(fēng)電場(chǎng)，周邊為平坦海面，距離被測(cè)機(jī)組20倍葉輪直徑范圍內(nèi)無大型島嶼，因此無需進(jìn)行場(chǎng)地標(biāo)定[1]。被測(cè)機(jī)組及其周圍機(jī)組的布局如圖3所示，其中T1為被測(cè)機(jī)組，測(cè)試風(fēng)場(chǎng)的主風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)向。通過計(jì)算得到T1機(jī)組的無尾流影響扇區(qū)為[349.7°～0°]和[0°～291.2°]，將激光雷達(dá)置于主風(fēng)向并安裝固定在T1機(jī)組塔底外部的鋼平臺(tái)上，采用PPI掃描模式測(cè)風(fēng)，掃描角度α的范圍設(shè)置為[15°～75°]，每隔10°取一個(gè)徑向風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)，風(fēng)速測(cè)量目標(biāo)位置選在距離T1機(jī)組2.5倍葉輪直徑的輪轂中心高度處，經(jīng)過計(jì)算得到掃描仰角θ為12.19°。由于目標(biāo)位置的水平風(fēng)速和風(fēng)向是通過激光雷達(dá)掃描區(qū)域內(nèi)7個(gè)測(cè)量點(diǎn)的徑向風(fēng)速反演計(jì)算得到的，所以計(jì)算測(cè)試扇區(qū)時(shí)需考慮周圍運(yùn)行機(jī)組對(duì)各徑向風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)的影響。根據(jù)VAD反演算法的原理可知風(fēng)向在掃描區(qū)域內(nèi)時(shí)激光雷達(dá)的準(zhǔn)確度較高，因此取掃描角度α的范圍[15°～75°]作為測(cè)試扇區(qū)，如圖3所示。

圖3 機(jī)組布局及測(cè)試扇區(qū)

3.2 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)性能驗(yàn)證

激光雷達(dá)是否適用于風(fēng)電機(jī)組的功率曲線測(cè)試需通過與參考風(fēng)速計(jì)的對(duì)比測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比測(cè)試以安裝在測(cè)風(fēng)塔上的風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)作為參考，測(cè)風(fēng)塔位于距離風(fēng)電場(chǎng)約8 km的一個(gè)島嶼上，激光雷達(dá)安裝固定在岸邊的混凝土平臺(tái)上，距離測(cè)風(fēng)塔1.84 km，周圍無遮擋，激光雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔的位置如圖4所示。參考風(fēng)速計(jì)安裝在測(cè)風(fēng)塔80 m高度處，激光雷達(dá)采用PPI模式以參考風(fēng)速計(jì)為目標(biāo)位置進(jìn)行掃描測(cè)量，激光雷達(dá)與參考風(fēng)速計(jì)的高度差為78 m，經(jīng)過計(jì)算得到掃描仰角θ為2.43°，掃描角度α的范圍設(shè)置為[221°～281°]，每隔10°取一個(gè)徑向風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)。由于風(fēng)向在掃描區(qū)域內(nèi)時(shí)激光雷達(dá)的準(zhǔn)確度較高，且風(fēng)向相差180°時(shí)的測(cè)量特性相同，因此取掃描角度α的范圍[221°～281°]和與其相差180°的扇區(qū)[41°～101°]作為測(cè)試扇區(qū)。激光雷達(dá)系統(tǒng)與測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過GPS校時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集。

圖4 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔的位置

測(cè)試數(shù)據(jù)處理成10 min平均值后對(duì)4～16 m/s區(qū)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，把激光雷達(dá)與參考風(fēng)速計(jì)在同一時(shí)間的測(cè)量值進(jìn)行一元線性回歸分析，結(jié)果如圖5所示。從圖中可看出激光雷達(dá)與參考風(fēng)速計(jì)的風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.988，回歸系數(shù)為0.987，符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

圖5 激光雷達(dá)與參考風(fēng)速計(jì)對(duì)比

3.3 數(shù)據(jù)采集、篩選、統(tǒng)計(jì)

測(cè)試期間保持機(jī)組正常運(yùn)行且不更改機(jī)組的配置，數(shù)據(jù)篩選時(shí)剔除以下數(shù)據(jù)：

(1)測(cè)試扇區(qū)之外的數(shù)據(jù)。

(2)機(jī)組停機(jī)、故障、限功率運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。

(3)測(cè)試系統(tǒng)故障或異常時(shí)的數(shù)據(jù)。

(4)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)顯示的無效數(shù)據(jù)。

將篩選后的有效且連續(xù)的數(shù)據(jù)處理成10 min平均值，并統(tǒng)計(jì)到0.5 m/s間隔的BIN區(qū)間。

3.4 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)測(cè)試一致性驗(yàn)證

采用激光雷達(dá)進(jìn)行功率曲線測(cè)試時(shí)可在附近設(shè)置一個(gè)監(jiān)控測(cè)風(fēng)塔用以確保其測(cè)試的一致性，但由于在海上單獨(dú)建造測(cè)風(fēng)塔的成本較高，本試驗(yàn)在功率曲線測(cè)試結(jié)束后按照測(cè)試前激光雷達(dá)性能驗(yàn)證的方法與測(cè)風(fēng)塔上的參考風(fēng)速計(jì)重復(fù)進(jìn)行一次對(duì)比測(cè)試，通過比較前后兩次測(cè)試結(jié)果來驗(yàn)證激光雷達(dá)測(cè)試的一致性。測(cè)試數(shù)據(jù)處理成10 min平均值后對(duì)4～16 m/s區(qū)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，把激光雷達(dá)與參考風(fēng)速計(jì)在同一時(shí)間的測(cè)量值再次進(jìn)行一元線性回歸分析，結(jié)果如圖6所示。從圖中可看出激光雷達(dá)與參考風(fēng)速計(jì)的風(fēng)速仍保持較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.981，回歸系數(shù)為0.984，與功率曲線測(cè)試前的值變化不大，這表明激光雷達(dá)在功率曲線測(cè)試前后保持著良好的測(cè)試一致性，可認(rèn)為在功率曲線測(cè)試期間激光雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

圖6 測(cè)試后激光雷達(dá)與參考風(fēng)速計(jì)對(duì)比

3.5 測(cè)試結(jié)果及分析

功率曲線測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)篩選后得到有效數(shù)據(jù)1 253組，風(fēng)速范圍為2.4～16.3 m/s，將測(cè)試結(jié)果換算至參考空氣密度(1.225 kg/m3)并與機(jī)組的保證功率曲線以及基于機(jī)艙風(fēng)速計(jì)法測(cè)得的功率曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。從圖中可看出基于激光雷達(dá)的測(cè)量功率曲線與保證功率曲線基本吻合。在3.5～4 m/s風(fēng)速區(qū)間機(jī)組開始切入，由于機(jī)組自用電損耗占比較大，實(shí)測(cè)功率低于保證功率，平均偏差為-21.8 kW，偏差最大為-22.5 kW；在4～8.5 m/s風(fēng)速區(qū)間機(jī)組升功率運(yùn)行，實(shí)測(cè)功率高于保證功率，平均偏差為53.7 kW，偏差最大為123.9 kW；在8.5～11 m/s風(fēng)速區(qū)間，實(shí)測(cè)功率低于保證功率，平均偏差為-88.7 kW，偏差最大為-199.4 kW，尤其在10～11 m/s風(fēng)速區(qū)間機(jī)組將要達(dá)到額定功率而進(jìn)行頻繁槳距調(diào)節(jié)導(dǎo)致該處偏差值較大；達(dá)到額定風(fēng)速后機(jī)組實(shí)測(cè)功率基本等于保證功率且保持穩(wěn)定。

圖7 測(cè)量功率曲線與保證功率曲線比較

由于測(cè)試場(chǎng)址變化、偏航對(duì)風(fēng)誤差以及葉輪尾流等因素的影響造成機(jī)艙風(fēng)速傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確度較低，導(dǎo)致基于機(jī)艙風(fēng)速計(jì)法的測(cè)量功率曲線與保證功率曲線的偏差較大，尤其是在10 m/s風(fēng)速附近的功率控制區(qū)(額定風(fēng)速附近的槳距角調(diào)節(jié))和7 m/s風(fēng)速附近的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)區(qū)(為避開機(jī)組共振)的偏差幅度較大。

總體上，基于掃描式激光雷達(dá)的測(cè)量功率曲線與保證功率曲線的吻合度明顯優(yōu)于基于機(jī)艙風(fēng)速計(jì)法的測(cè)量功率曲線，這表明本功率曲線測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性較好，同時(shí)也驗(yàn)證了采用掃描式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)的方法進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試是可行的。

4 結(jié)論

(1)采用掃描式激光雷達(dá)進(jìn)行海上風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試的結(jié)果與保證功率曲線吻合度較高，且明顯優(yōu)于基于機(jī)艙風(fēng)速計(jì)法的測(cè)量功率曲線，驗(yàn)證了該方法的可行性。

(2)掃描式激光雷達(dá)與參考風(fēng)速計(jì)在功率曲線測(cè)試前后的相關(guān)系數(shù)分別為0.988和0.981，兩者始終保持著較高的相關(guān)性，表明該激光雷達(dá)具有良好的測(cè)試一致性。

(3)掃描式激光雷達(dá)在海上風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試中，采用PPI掃描模式測(cè)量自由流風(fēng)速，無需建造單獨(dú)的支撐平臺(tái)，與傳統(tǒng)的方法相比更為便利和經(jīng)濟(jì)。