基于機(jī)載式激光雷達(dá)的偏航校正功率曲線優(yōu)化探討

章立棟

文大光電科技（上海）有限公司 上海 200131

引言

大自然的風(fēng)向?qū)崟r(shí)變化的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于大慣性設(shè)備以及偏航對風(fēng)速度的限制，控制系統(tǒng)并不要求實(shí)時(shí)跟隨風(fēng)向變化，只需要保持風(fēng)機(jī)偏航誤差在設(shè)定范圍內(nèi)運(yùn)行即可，因此本文是討論穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的偏航誤差。偏航誤差引起一系列的問題，比如功率曲線不達(dá)標(biāo)，尾流的損失，系統(tǒng)過載等等。文中采用機(jī)載式多普勒激光雷達(dá)檢測偏航誤差，通過交替校正的方式，評估偏航誤差對功率曲線的影響，減少評估計(jì)算的不確定性。

1 偏航誤差產(chǎn)生的原因和功率損失

機(jī)械式或者超聲波式風(fēng)向儀都安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙尾部的上方，受到風(fēng)輪順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的擾動(dòng)，測量的風(fēng)向與前方實(shí)際風(fēng)向存在偏差；其次在安裝過程中，非常容易滑動(dòng)風(fēng)向標(biāo)的零刻度線；再次，風(fēng)機(jī)輪轂罩，機(jī)艙罩以及微觀選址對來流的影響。因此傳統(tǒng)的風(fēng)向儀不能正確測量風(fēng)機(jī)偏航誤差。

穩(wěn)態(tài)風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)功率P計(jì)算如公式(1)所示，其中ρ空氣密度，A風(fēng)輪面積，V穩(wěn)態(tài)風(fēng)速，C p風(fēng)能利用系數(shù)。其中風(fēng)速V方向正對風(fēng)輪平面軸線，夾角為0度。

2 測量原理

機(jī)載式多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)安裝在機(jī)艙罩頂部的后方，測量風(fēng)輪前方氣溶膠微粒相對于激光束方向的運(yùn)動(dòng)速度，然后通過矢量合成風(fēng)速和風(fēng)向，圖1是以丹麥Windar Photonics A/S公司的2光束產(chǎn)品WindEYE[2]為例介紹偏航誤差的測量原理。

圖1 WindEYE風(fēng)速風(fēng)向重構(gòu)

設(shè)定風(fēng)輪前方是均勻的來流風(fēng)速V，與風(fēng)輪軸線的夾角為Φ，可以分解為切向風(fēng)速U和軸向風(fēng)速W，光束半開角為α＝30°，左右光束的測量風(fēng)速分別為V a和V b，以順時(shí)針方向?yàn)轱L(fēng)向的正方向，來流風(fēng)速V方向與機(jī)艙的夾角為Φ＞0，則

通過公式(2)，(3)可以求出軸向和切向風(fēng)速分量，并重構(gòu)來流風(fēng)速和風(fēng)向:

3 校正方法

偏航誤差校正可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)校正。靜態(tài)校正是用激光雷達(dá)檢測到的偏航誤差θ去修改主控系統(tǒng)為風(fēng)向標(biāo)初始安裝預(yù)留的θoffset參數(shù)，讓θoffset＝θ實(shí)現(xiàn)。校正完畢后拆除激光雷達(dá)，挪到下一臺風(fēng)機(jī)再使用，提高激光雷達(dá)的使用效率。動(dòng)態(tài)校正是始終需要雷達(dá)集成到風(fēng)機(jī)偏航控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)控制。

由于激光雷達(dá)測風(fēng)設(shè)備價(jià)格較高，不同風(fēng)機(jī)存在的偏航誤差情況也各不相同，采用的校正方法有所不同，具體情況處理如下:

情況1:平均值小，離散性大，采用動(dòng)態(tài)校正。

情況2:平均值和離散性都大，采用動(dòng)態(tài)校正，靜態(tài)校正效果不夠好。

情況3:平均值大，離散性小，采用靜態(tài)校正。

情況4:平均值和離散性都小，無需校正。

針對風(fēng)電場業(yè)主無權(quán)限修改偏航控制邏輯，Wind EYE產(chǎn)品[2]的Wind TIMIZER模塊可以無縫接入風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)，自動(dòng)切換輸入主控系統(tǒng)的信號為風(fēng)速風(fēng)向儀或激光雷達(dá)測風(fēng)信號，并通過內(nèi)部算法優(yōu)化偏航誤差的平均值和離散性。

4 交替校正

國內(nèi)幾乎所有風(fēng)電場業(yè)主都要求根據(jù)SCADA系統(tǒng)記錄的功率曲線評估偏航誤差校正后的效果。按照IEC61400－12－2標(biāo)準(zhǔn)[3]進(jìn)行功率曲線驗(yàn)證，其不確定性超過15%[1]，采用前測量后校正的方式驗(yàn)證功率曲線優(yōu)化效果，結(jié)果容易淹沒在15%的不確定性誤差范圍內(nèi)。為盡可能減少測量不確定性，根據(jù)Van Der Hoven風(fēng)速功率譜特性[4]，風(fēng)速10分鐘至2小時(shí)期間的頻譜基本是水平分布，所以采用間隔一個(gè)小時(shí)交替校正的方法進(jìn)行驗(yàn)證，圖2的 Wind TIMIZER模塊相當(dāng)于一個(gè)軟件開關(guān)，可自動(dòng)切換。

圖2 Wind TIMIZER模塊接線示意圖

具體交替校正項(xiàng)目數(shù)據(jù)處理過程如下:

(1)按照本文第2節(jié)的方法計(jì)算10min的平均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)項(xiàng)包括時(shí)間戳，雷達(dá)風(fēng)速，偏航誤差，校正狀態(tài)。

(2)與SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步，刪除風(fēng)機(jī)停機(jī)和尾流扇區(qū)的數(shù)據(jù)項(xiàng)。

(3)刪除每次切換后的第一個(gè)10min數(shù)據(jù)。

(4)由校正狀態(tài)將數(shù)據(jù)分為檢測組和校正組。

(5)根據(jù)IEC61400－12－2標(biāo)準(zhǔn)[3]的Bin方法，計(jì)算檢測和校正組功率曲線 {VBin，P Bin} 。

(6)接合測試風(fēng)電場的威布爾分布 {PDF Bin}，按照公式(8)計(jì)算年發(fā)電量AEP，公式(9)計(jì)算校正后的年發(fā)電量提升效果η。

V cut－in切入風(fēng)速，V cut－out切出風(fēng)速，P Bin，i第i個(gè)V Bin風(fēng)速對應(yīng)的功率，PDF Bin，i第i個(gè)V Bin風(fēng)速對應(yīng)的威布爾分布概率。

AEP校正和AEP檢測分別是校正和檢測組的年發(fā)電量。

5 實(shí)際案例

文大光電科技(上海)有限公司在江蘇國家電投新能源公司下屬的7個(gè)風(fēng)電場開展為期一年的偏航校正業(yè)務(wù)，其中包括3種地理環(huán)境，3個(gè)廠家的6種型號的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，安裝14臺Wind EYE激光雷達(dá)設(shè)備，通過Wind TIMIZER模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)偏航校正。2020年9月至12月，雷達(dá)安裝，調(diào)試，收集數(shù)據(jù)。2021年1月至8月，開啟間隔一個(gè)小時(shí)的交替校正，驗(yàn)證功率曲線優(yōu)化效果。2021年9月開始，激活全時(shí)段動(dòng)態(tài)校正功能。

風(fēng)機(jī)按照額定功率與風(fēng)輪直徑分類，測試結(jié)果如表1所示，包括基于雷達(dá)風(fēng)速和風(fēng)速儀風(fēng)速進(jìn)行年發(fā)電量AEP的評估結(jié)果。

表1 交替偏航誤差動(dòng)態(tài)校正結(jié)果數(shù)據(jù)對比

(*)7#和9#風(fēng)機(jī)為本項(xiàng)目前就完成靜態(tài)偏航校正。

根據(jù)表1可以得出如下結(jié)論:

a)所有風(fēng)機(jī)的平均偏航誤差由校正前的5.6度降為1.0度，離散性也由3.3度降為2.7度。Wind TIMIZER模塊確實(shí)在沒有修改主控偏航控制邏輯或者參數(shù)的前提下校正風(fēng)機(jī)的偏航誤差。

b)若以3度偏航誤差角為界，超過60%的風(fēng)機(jī)需要校正。若包括兩臺事先做過靜態(tài)校正的風(fēng)機(jī)，則超過70%。

c)同型號風(fēng)機(jī)的平均偏航誤差并不一樣。

d)陸上風(fēng)場的不同風(fēng)機(jī)的平均偏航誤差離散性很大。

e)海上風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)校正后離散性明顯降低，年發(fā)電量提升效果明顯。

f)序號5～12風(fēng)機(jī)屬于同一廠家，初始偏航誤差和離散性各不相同，校正后，偏航誤差都得到優(yōu)化，但是離散性都沒有明顯變化。原因是這4種機(jī)組采用相同的偏航控制策略。

g)序號13，14機(jī)組與序號5～12機(jī)組不是同廠家的機(jī)型產(chǎn)品，但是校正后偏航離散性結(jié)果類似，故推斷其偏航控制策略也是相近的。

h)若動(dòng)態(tài)校正沒有使其離散性得到明顯改善，則只需要靜態(tài)校正即可。

i)按照公式(8)(9)分別計(jì)算基于雷達(dá)與風(fēng)速儀風(fēng)速的年發(fā)電量提升百分比，差異很大。原因詳見本文6.1節(jié)內(nèi)容。

6 問題討論

6.1 機(jī)艙風(fēng)速儀風(fēng)速測量變化 14臺測試風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)偏航校正前后，機(jī)艙風(fēng)速儀的測量值與雷達(dá)風(fēng)速測量值之間的關(guān)系都發(fā)生不同程度的變化。按照最小二乘法擬合機(jī)艙傳遞函數(shù)y＝ax＋b，x為機(jī)艙風(fēng)速儀測量值，y為雷達(dá)測量值，校正后所有測試風(fēng)機(jī)的斜率a都變大。盡管機(jī)型和安裝地點(diǎn)不同，但趨勢一致，偏航誤差越大，校正后機(jī)艙風(fēng)速儀風(fēng)速變小就越多。

由于激光雷達(dá)在偏航校正前后，測量的都是風(fēng)輪前方的風(fēng)速，而機(jī)艙風(fēng)速儀測量值發(fā)生變化，故建議采用雷達(dá)測量風(fēng)速評估偏航校正前后的功率曲線優(yōu)化和發(fā)電量提升，減少不確定性。

6.2 偏航誤差與年發(fā)電量關(guān)系 圖3是14臺測試風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)偏航校正后年發(fā)電量提升比例與不同的余弦關(guān)系，在穩(wěn)態(tài)偏航誤差絕對值小于12度的時(shí)候，不管采用雷達(dá)測量風(fēng)速，還是采用風(fēng)速儀風(fēng)速進(jìn)行年發(fā)電量提升評估，其結(jié)果都是大于[1－cos(θ)3]關(guān)系。在實(shí)際項(xiàng)目中，檢測到穩(wěn)態(tài)偏航誤差后，可以直接采用 [1－cos(θ)3]關(guān)系粗略估計(jì)潛在的年發(fā)電量提升，相比Ris?－R－1330(EN)[1]報(bào)告中指出的 [1－(cosθ)2]提升關(guān)系，采用Wind TIMIZER動(dòng)態(tài)偏航校正的效果更好。

圖3 動(dòng)態(tài)偏航誤差與年發(fā)電量提升關(guān)系

7 總結(jié)

激光雷達(dá)檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航誤差是真實(shí)存在的；通過動(dòng)態(tài)偏航校正，能夠優(yōu)化風(fēng)機(jī)的偏航誤差值；同時(shí)優(yōu)化功率曲線，提高年發(fā)電量；采用交替校正的方式，所有測試風(fēng)機(jī)都得到較好的評估結(jié)果。

不同風(fēng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)偏航校正，其偏航離散性的改變有不同的表現(xiàn)，需要進(jìn)一步協(xié)同風(fēng)機(jī)主控策略廠家，進(jìn)行深入探討。