雙支架葉片凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)誤差優(yōu)化

馮駒

（明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東中山 528437）

0.引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及能效要求的提高，風(fēng)機(jī)葉片越來(lái)越長(zhǎng)、越來(lái)越柔，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，用于監(jiān)測(cè)葉尖凈空[1]。雙支架葉片凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段采用冗余設(shè)計(jì)和相互校驗(yàn)的設(shè)計(jì)，減小出現(xiàn)偶然誤差影響，但是在實(shí)際應(yīng)用中雙雷達(dá)的相互校驗(yàn)出現(xiàn)的校驗(yàn)失敗故障影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的正常工作，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際發(fā)電量。為降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組凈空校驗(yàn)失敗的可能，需對(duì)該系統(tǒng)的凈空監(jiān)測(cè)進(jìn)行優(yōu)化。

1. A風(fēng)場(chǎng)誤差

A風(fēng)場(chǎng)在2021年5月初出現(xiàn)較大規(guī)模的距離校驗(yàn)失敗故障，即測(cè)距儀獲取的數(shù)據(jù)與凈空曲線之間的誤差較大，大于理論誤差范圍。針對(duì)距離校驗(yàn)失敗故障數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，獲取距離校驗(yàn)失敗故障發(fā)生期間的高頻數(shù)據(jù)。

將A風(fēng)場(chǎng)12號(hào)至17號(hào)風(fēng)機(jī)在故障發(fā)生期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，篩選出1號(hào)雷達(dá)的凈空值和2號(hào)雷達(dá)的測(cè)量值小于90m的數(shù)據(jù)，篩選出1096個(gè)符合要求的數(shù)據(jù)，對(duì)于12號(hào)風(fēng)機(jī)至17號(hào)風(fēng)機(jī)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，15號(hào)風(fēng)機(jī)的分布相較于其余的數(shù)據(jù)約大0.5m，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查15號(hào)風(fēng)機(jī)的激光光斑的誤差約為30cm，考慮到左右的調(diào)節(jié)為有級(jí)調(diào)節(jié)實(shí)際誤差應(yīng)大于30cm，因此15號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相較其余風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的誤差大0.5m～0.6m，故應(yīng)剔除15號(hào)風(fēng)機(jī)的故障數(shù)據(jù)。

剔除掉15號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)效數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)篩選出828個(gè)有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表1所示分布主要的數(shù)據(jù)集中在0.6～0.8之間，平均值為0.717，標(biāo)準(zhǔn)差為0.168，數(shù)據(jù)相對(duì)集中。

表1 A風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)凈空較低期間誤差

將數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選后，按照0.5的閾值要求下的數(shù)據(jù)的概率為7.6%。將閾值放大到0.9之后，小于0.9的數(shù)據(jù)的占比為84.1%，放大到1之后，小于1的數(shù)據(jù)占比為92.1%。即現(xiàn)有的閾值設(shè)為0.5之后，閾值相對(duì)較為狹窄，92.4%的數(shù)據(jù)均認(rèn)為錯(cuò)誤，錯(cuò)誤概率較大?？紤]到凈空雷達(dá)存在0.3m的誤差，實(shí)際的閾值可能會(huì)縮至0.35m，若將現(xiàn)有閾值添加誤差至0.8m的范圍，75%的數(shù)據(jù)滿足實(shí)際需求。

2. B風(fēng)場(chǎng)誤差

B風(fēng)場(chǎng)是一個(gè)典型的山地風(fēng)場(chǎng)，B風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)資源分布相對(duì)不均勻且存在較為明顯的負(fù)切變，葉尖處的風(fēng)速與葉根處的風(fēng)速差距相對(duì)較大，B風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)資源分布分層嚴(yán)重，采集到的風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)B風(fēng)場(chǎng)凈空數(shù)據(jù)分析相關(guān)性較弱，不作為研究葉尖凈空差值的相關(guān)關(guān)系。

將B風(fēng)場(chǎng)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，篩選出凈空值低于有效值的數(shù)據(jù)后，篩選出231個(gè)有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表2分布。B風(fēng)場(chǎng)凈空數(shù)據(jù)與A風(fēng)場(chǎng)分布相同，B風(fēng)場(chǎng)的差值平均值為0.67，標(biāo)準(zhǔn)差為0.21。

表2 B風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)凈空較低期間誤差

將數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選后，按照0.5的閾值要求下的數(shù)據(jù)的概率為14.7%。將閾值放大到0.9之后，小于0.9的數(shù)據(jù)的占比為92.6%，放大到1之后，小于1的數(shù)據(jù)占比為93.9%。即現(xiàn)有的閾值設(shè)為0.5之后，閾值相對(duì)較為狹窄，85.3%的數(shù)據(jù)均認(rèn)為錯(cuò)誤，錯(cuò)誤概率較大。結(jié)合第二節(jié)對(duì)誤差的討論，將現(xiàn)有閾值添加誤差至0.8m的范圍，77.5%的數(shù)據(jù)滿足實(shí)際需求。

3.距離校驗(yàn)失敗原因

風(fēng)力發(fā)電機(jī)凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)距離校驗(yàn)失敗時(shí)的主要原因有4點(diǎn)。（1）葉片強(qiáng)度誤差；（2）風(fēng)力環(huán)境差異；（3）凈空雷達(dá)安裝誤差；（4）凈空雷達(dá)隨機(jī)誤差。

3.1 葉片強(qiáng)度誤差

A風(fēng)場(chǎng)與B風(fēng)場(chǎng)所使用的葉片有一定區(qū)別，B風(fēng)場(chǎng)所使用是2號(hào)葉片相較與A風(fēng)場(chǎng)所使用的1號(hào)葉片更柔。葉片凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)是基于B風(fēng)場(chǎng)的2號(hào)葉片與所處的風(fēng)力環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，B風(fēng)場(chǎng)的1號(hào)雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距值的葉尖凈空為6.7m，A風(fēng)場(chǎng)的1號(hào)雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)距值的葉片凈空為7.15m。A風(fēng)場(chǎng)相較與B風(fēng)場(chǎng)的距離差值約為0.4m與兩風(fēng)場(chǎng)的葉片變形仿真值的0.45m誤差相對(duì)接近，理論凈空值與實(shí)際凈空值誤差較小。

3.2 風(fēng)力環(huán)境差異

因目前采集數(shù)據(jù)的兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)僅采用了風(fēng)速風(fēng)向儀對(duì)風(fēng)速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)滯后于凈空監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)B風(fēng)場(chǎng)又屬于一個(gè)典型的負(fù)切變的山地風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)對(duì)凈空數(shù)據(jù)誤差數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性較弱，不納入主要影響因素。實(shí)際控制中若風(fēng)速數(shù)據(jù)失效，應(yīng)采用軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。但該數(shù)據(jù)分布是隨機(jī)分布，軸加速度與凈空差值無(wú)顯著關(guān)系。

在后期研究風(fēng)速與凈空相關(guān)關(guān)系應(yīng)對(duì)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)增加一個(gè)測(cè)風(fēng)雷達(dá)，測(cè)試該風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力情況，確認(rèn)湍流與切變，優(yōu)化數(shù)據(jù)模型。

3.3 凈空雷達(dá)安裝誤差

以風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪方向?yàn)閅方向，激光凈空雷達(dá)在X方向的調(diào)整屬于有級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程中誤差相對(duì)較大。A風(fēng)場(chǎng)的15號(hào)風(fēng)機(jī)的兩臺(tái)雷達(dá)間的誤差允許范圍外約30cm，因此數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大失真。在后續(xù)雷達(dá)的安裝要求中雷達(dá)的允許誤差為±10cm，考慮到現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員執(zhí)行過(guò)程中的誤差，凈空雷達(dá)的實(shí)際凈空誤差范圍應(yīng)為0cm～20cm。

3.4 凈空雷達(dá)隨機(jī)誤差

在本文第四節(jié)提到目前所采用的激光凈空雷達(dá)的誤差為0.3m/100m，即雷達(dá)的最大誤差為0.6m，一般激光雷達(dá)測(cè)距值的隨機(jī)誤差呈正態(tài)分布，隨機(jī)誤差分布公式如公式1所示。

由公式1與葉片變形曲線結(jié)合可得99.74%的誤差集中在凈空差值0.3m，存在2.15%的雷達(dá)的測(cè)距誤差大于0.2m。若兩臺(tái)雷達(dá)的隨機(jī)誤差差距相對(duì)較大，雷達(dá)的測(cè)距值計(jì)算為凈空值誤差會(huì)放大，即兩臺(tái)雷達(dá)間的理論最大凈空值誤差約為0.35m。

距離校驗(yàn)的閾值為0.5m，基于最大凈空值誤差0.35m的假設(shè)，雷達(dá)隨機(jī)誤差會(huì)將雷達(dá)的距離校驗(yàn)值縮小至0.2m左右。

4.凈空曲線修正

葉片凈空曲線因現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力環(huán)境、葉片選型、葉片制造和風(fēng)機(jī)建設(shè)的不同會(huì)產(chǎn)生葉片凈空曲線差異。目前基于B風(fēng)場(chǎng)所設(shè)計(jì)的葉片凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在A風(fēng)場(chǎng)使用過(guò)程中因葉片凈空曲線誤差，出現(xiàn)葉片凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的雷達(dá)校驗(yàn)失敗故障。

結(jié)合第五節(jié)的雷達(dá)凈空校驗(yàn)失敗原因分析，影響雷達(dá)誤差的主要系統(tǒng)誤差為葉片強(qiáng)度差異，隨機(jī)誤差為安裝誤差與雷達(dá)自身誤差。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查維護(hù)排除凈空雷達(dá)安裝誤差后，從項(xiàng)目級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析凈空雷達(dá)隨機(jī)誤差相較于葉片凈空曲線誤差不占主要因素[2]。

綜上所述，從項(xiàng)目角度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析優(yōu)化，可有效分析得出實(shí)際凈空曲線與理論凈空曲線的差異，但無(wú)法確認(rèn)葉片凈空曲線相較于原有曲線的移動(dòng)方向[3]。