基于激光雷達(dá)測風(fēng)儀的風(fēng)電機(jī)組偏航優(yōu)化控制方法＊

馮紅巖,朱海娜

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)能源工程學(xué)院，天津 300350)

1 引言

激光雷達(dá)測風(fēng)儀(lidar anemometer，下文簡稱Lidar)不僅在風(fēng)能資源測量中顯現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢，激光雷達(dá)測風(fēng)技術(shù)的不斷發(fā)展也為風(fēng)電機(jī)組的智能化提供了更廣闊的空間。將Lidar應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組，進(jìn)行風(fēng)況的多參數(shù)準(zhǔn)確測量和機(jī)組優(yōu)化控制的研究，主要集中于兩個(gè)方向：一是利用激光雷達(dá)預(yù)測風(fēng)速的特點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的前饋控制技術(shù)研究，文獻(xiàn)[1]借助Lidar對機(jī)組前方的風(fēng)速特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)研究，可以對各種基于Lidar 的控制技術(shù)應(yīng)用提供支持，韓兵等人將模型預(yù)測控制技術(shù)應(yīng)用到基于激光雷達(dá)的風(fēng)電機(jī)組控制策略中，仿真結(jié)果表明可以增加機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低機(jī)組的疲勞載荷[2]。Haizmann等人給出了基于Lidar的前饋控制技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方式[3]，Bossanyi 等人通過對多款Lidar 在機(jī)艙上的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)將其應(yīng)用于變槳前饋控制可以顯著降低機(jī)組的疲勞載荷[4]；另一個(gè)方向是將Lidar 應(yīng)用于偏航控制的優(yōu)化，Bossanyi 認(rèn)為風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)是一個(gè)非常緩慢的跟隨系統(tǒng)，Lidar可以提前幾秒預(yù)測風(fēng)向的特點(diǎn)對偏航控制而言，不能帶來任何優(yōu)勢，但是Lidar 可以避免傳統(tǒng)風(fēng)向標(biāo)由于葉輪的擾動(dòng)對風(fēng)向檢測產(chǎn)生的偏差，因此，可以用Lidar 對傳統(tǒng)風(fēng)向標(biāo)測到的偏航誤差進(jìn)行校正[5]。文獻(xiàn)[6-7]對Lidar 在偏航控制優(yōu)化中的應(yīng)用進(jìn)行了基于實(shí)測數(shù)據(jù)的研究，但是不論是對Lidar的風(fēng)向檢測設(shè)置方式，偏航誤差的校正方式，還是校正方案的適用條件等方面研究的都不夠深入。本文在對Lidar 的偏航誤差檢測原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對其應(yīng)用于機(jī)組偏航控制或校正的適應(yīng)性進(jìn)行了說明；在研究機(jī)組前方氣流分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，明確了Lidar 的風(fēng)向檢測設(shè)置方式；從檢測數(shù)據(jù)的處理，偏航誤差校正函數(shù)的擬合，偏航優(yōu)化控制策略的實(shí)施等方面設(shè)計(jì)了一套完整的偏航誤差校正方案。

2 項(xiàng)目描述

測試風(fēng)場位于河南省唐河縣境內(nèi)，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E和SSW。選取3 號機(jī)組為測試機(jī)組，如圖1所示，在主導(dǎo)風(fēng)向上地勢相對平坦，且沒有上游風(fēng)機(jī)的尾流影響。機(jī)組額定功率2500kW，葉輪直徑為121m，額定風(fēng)速10m/s(安裝地空氣密度下)。機(jī)組上安裝了一臺四光束激光雷達(dá)測風(fēng)儀，可以同時(shí)采集前方50-200米十個(gè)不同距離的風(fēng)況信息。

圖1 被測機(jī)組的位置及有效風(fēng)向扇區(qū)

因?yàn)樵陲L(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，機(jī)組的效率、載荷與風(fēng)向無關(guān)，影響機(jī)組性能的是偏航對風(fēng)的誤差。機(jī)艙上安裝的測風(fēng)儀，直接檢測到的是機(jī)組的偏航誤差，即測風(fēng)儀參考零位線與風(fēng)向的夾角。在測風(fēng)儀安裝中，其參考零位線與機(jī)艙中軸線是否嚴(yán)格平行，就成為影響偏航誤差的至關(guān)重要的因素[8]。所以在開始測試之前，對本地風(fēng)向標(biāo)的安裝精度進(jìn)行了校準(zhǔn)。

3 Lidar的檢測原理及設(shè)置

Lidar 的風(fēng)速、風(fēng)向檢測原理是分析其適用范圍、檢測誤差來源的基礎(chǔ)。

3.1 Lidar的檢測原理

Lidar根據(jù)大氣中散射粒子的多普勒頻移效應(yīng)，可以直接測得沿光束方向大氣散射粒子的移動(dòng)速度。為簡單明了，以圖2所示兩目激光雷達(dá)測風(fēng)儀為例，說明風(fēng)速、風(fēng)向計(jì)算原理。傳感器可以直接測得左側(cè)激光束方向氣流速度Vlos1和右側(cè)激光束方向氣流速度Vlos2。假設(shè)當(dāng)前風(fēng)速、風(fēng)向如矢量V所示，V可以分解為與儀器軸線垂直的矢量U和與儀器軸線平行的矢量W，假設(shè)激光束方向與水平面平行，忽略風(fēng)速垂直方向分量，則有：

圖2 激光測風(fēng)儀的風(fēng)速風(fēng)向計(jì)算原理圖

其中α是激光束與機(jī)組機(jī)艙中軸線的夾角，根據(jù)以上兩式可以推導(dǎo)出：

則風(fēng)速為：

設(shè)風(fēng)向與儀器中軸線的夾角為Φ，則Φ可由下式求得：

根據(jù)公式(5)、(6)便可以測出機(jī)艙前方設(shè)定距離的自由流的風(fēng)速，及風(fēng)向與儀器中軸線的夾角。使激光測風(fēng)儀的中軸線與機(jī)艙的中軸線重合，則Φ角即為機(jī)組的偏航誤差。四目或多點(diǎn)圓周掃描式的激光雷達(dá)對風(fēng)速和風(fēng)向的計(jì)算原理與上述兩目式基本相同，但可以擴(kuò)展到對橫向和縱向風(fēng)切變的檢測，進(jìn)而得到整個(gè)葉輪前面的平均風(fēng)速，而不僅是葉輪正前方輪轂高度的風(fēng)速。所以檢測數(shù)據(jù)更完備，成本也更高。

由此可見，Lidar是基于對左右兩側(cè)光束方向檢測位置處氣流流速的大小，進(jìn)行偏航誤差計(jì)算的。但是，葉輪沒對正風(fēng)向、兩個(gè)檢測位置的實(shí)際風(fēng)速不同這兩個(gè)因素都會導(dǎo)致Vlos1和Vlos2的大小有差異。在后期的數(shù)據(jù)處理過程中，會一起影響機(jī)組偏航誤差的計(jì)算。所以，Lidar不能有效區(qū)分機(jī)組的實(shí)際偏航誤差和風(fēng)速的水平切變。在上游地表粗糙度比較大，或者上游機(jī)組尾流影響嚴(yán)重的扇區(qū)，用Lidar 的偏航誤差檢測結(jié)果進(jìn)行偏航控制，可能會引入不確定性誤差[9]。本項(xiàng)目參考了風(fēng)電機(jī)組功率特性測試標(biāo)準(zhǔn)IEC61400-12-1：2017[10]的規(guī)定，只有符合安裝測風(fēng)塔條件的扇區(qū)，才可以作為進(jìn)行偏航校正有效數(shù)據(jù)采集的扇區(qū)。所以用Lidar進(jìn)行偏航誤差校正，首先要確定有效的風(fēng)向扇區(qū)，本項(xiàng)目被測機(jī)組的有效風(fēng)向扇區(qū)如圖1標(biāo)出的扇區(qū)所示。

3.2 Lidar的檢測設(shè)置

IEC61400-12-1：2017規(guī)定測風(fēng)塔距被測風(fēng)機(jī)的距離要在2D-4D 之間，D 為葉輪直徑。實(shí)測數(shù)據(jù)也表明在距風(fēng)機(jī)距離小于2D范圍內(nèi)，風(fēng)速、風(fēng)向開始緩慢發(fā)生畸變。

隨機(jī)選取不同風(fēng)速下實(shí)測的葉輪前方不同距離處的偏航誤差曲線如圖3所示。從圖中可以看出，同一時(shí)刻檢測到的不同距離處的偏航誤差規(guī)律的向一個(gè)方向變化，但是變化的方向不確定。這也直接反映出氣流在接近葉輪時(shí)風(fēng)向?qū)l(fā)生畸變。測試結(jié)果也表明，風(fēng)速在葉輪前方首先經(jīng)歷一個(gè)受壓加速的過程，然后逐步降低，轉(zhuǎn)折點(diǎn)隨風(fēng)速不同而略有變化。而風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中，是要對正不受自身干擾的風(fēng)的方向，才能保證機(jī)組的風(fēng)能利用效率。要獲得不被葉輪干擾的自由流的風(fēng)速和風(fēng)向，測試點(diǎn)要遠(yuǎn)離葉輪，符合IEC61400-12-1 的規(guī)定。但是對于以優(yōu)化機(jī)組的控制方式為目的檢測，檢測點(diǎn)越靠近風(fēng)機(jī)，檢測結(jié)果所需要的延時(shí)時(shí)間越小，有效性也越高。通過對大量檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，距離風(fēng)機(jī)大于1．5D后，偏航誤差值隨距離變化趨緩，可以反應(yīng)自然風(fēng)向。

圖3 不同風(fēng)速下葉輪前方風(fēng)向隨距離變化趨勢

另外，風(fēng)電機(jī)組吸收的風(fēng)能大部分集中在葉片3R/4以上的范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向是對機(jī)組的出力影響最大的[11]。在設(shè)置激光雷達(dá)的測試距離和錐角時(shí)要盡量使檢測點(diǎn)落在這個(gè)范圍。本測試項(xiàng)目所用激光雷達(dá)的水平錐角為15°，垂直錐角為12．5°。所以，靠近葉輪的測試點(diǎn)的風(fēng)向測量精度會有所降低。

結(jié)合以上兩點(diǎn)分析，本項(xiàng)目最終確定以200米處的偏航誤差作為修正機(jī)艙偏航誤差的參考值。在對每個(gè)檢測位置的風(fēng)向都有較高精度要求的應(yīng)用中，建議激光測風(fēng)儀不同距離用不同的錐角值。但需要注意，錐角過大會影響風(fēng)速的檢測精度。

4 偏航誤差分析與傳遞函數(shù)的擬合

4.1 數(shù)據(jù)的前處理

數(shù)據(jù)分別取自SCADA 系統(tǒng)記錄的機(jī)組本地測風(fēng)儀測得的10min 偏航誤差和Lidar 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的10min 偏航誤差。無效測量數(shù)據(jù)會嚴(yán)重影響偏航誤差的統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而影響擬合的傳遞函數(shù)的有效性，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查2個(gè)步驟。數(shù)據(jù)篩選：(1)剔除風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)在“not active”狀態(tài)下的數(shù)據(jù)；(2)剔除在有效測量扇區(qū)之外的數(shù)據(jù)；(3)剔除風(fēng)速低于切入風(fēng)速和高于額定風(fēng)速的數(shù)據(jù)；(4)剔除絕對值大于30°的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查：(1)確保測試信號在正常范圍內(nèi)且可利用；(2)確保傳感器正常運(yùn)行；(3)確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常運(yùn)行；(4)激光測風(fēng)儀測量數(shù)據(jù)有效率大于0．3。

由于風(fēng)向的畸變受風(fēng)速影響較大，采用風(fēng)速分區(qū)擬合的方式，分3～6．5m/s，6．5-10m/s兩個(gè)區(qū)段，從切入風(fēng)速(3m/s)到額定風(fēng)速(10m/s)分區(qū)擬合傳遞函數(shù)。剔除所有無效數(shù)據(jù)后，保證在擬合的風(fēng)速區(qū)段內(nèi)，在[-10°～10°]的偏航誤差范圍內(nèi)，每0．5°區(qū)間至少有5 個(gè)以上有效數(shù)據(jù)[12-14]，以保證最終的擬合精度。

4.2 偏航誤差分析與傳遞函數(shù)的擬合

測試期間本地風(fēng)向標(biāo)的10min偏航誤差測量結(jié)果平均值為0．11°，均方差為5．39°，說明機(jī)組在控制系統(tǒng)作用下能進(jìn)行良好的風(fēng)向跟蹤，風(fēng)向標(biāo)安裝的精度和機(jī)組的偏航控制策略滿足要求。而Lidar 的偏航誤差檢測結(jié)果均值為2．13°，均方差為4．92°。這主要是因?yàn)闇y試期間機(jī)組以本地風(fēng)向標(biāo)的檢測輸入作為偏航控制偏差，沒有追蹤Lidar 測得的風(fēng)向。二者平均值的偏差2．02°，即為本地測風(fēng)儀受葉輪旋轉(zhuǎn)的干擾而產(chǎn)生的測量偏差。

以機(jī)組本地風(fēng)向標(biāo)的偏航誤差測量結(jié)果x為橫坐標(biāo)，以激光雷達(dá)檢測出的偏航誤差y為縱坐標(biāo)畫出低風(fēng)速和高風(fēng)速時(shí)的散點(diǎn)圖，如圖4和圖5所示。采用最小二乘法對x，y進(jìn)行一階線性擬合，風(fēng)速在3～6．5m/s 間擬合的傳遞函數(shù)為：

圖4 低風(fēng)速區(qū)間的散點(diǎn)圖和擬合曲線

圖5 高風(fēng)速區(qū)間的散點(diǎn)圖和擬合曲線

其擬合優(yōu)度R2=0．4559。

風(fēng)速在6．5～10m/s間擬合的傳遞函數(shù)為：

其擬合優(yōu)度R2=0．4748。從擬合結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)風(fēng)電標(biāo)的檢測誤差主要來源于低風(fēng)速段；而高風(fēng)速段Lidar的偏航誤差檢測結(jié)果比本地風(fēng)向標(biāo)的更穩(wěn)定。

5 誤差校正交替控制策略的設(shè)計(jì)

通過前面分析可知Lidar 對偏航誤差的檢測精度是受一定條件限制的：只有機(jī)組前方?jīng)]有上游風(fēng)機(jī)尾流影響和地形條件符合要求的扇區(qū)才可以開啟校正函數(shù)。針對此問題，設(shè)計(jì)了偏航誤差校正交替控制的策略，并且不同風(fēng)速段對應(yīng)不同傳遞函數(shù)以提高精度，控制流程圖見圖6。

圖6 偏航誤差校正交替控制策略流程圖

6 結(jié)果分析

應(yīng)用上述偏航誤差校正交替控制策略對目標(biāo)機(jī)組進(jìn)行了一個(gè)月的運(yùn)行控制后，取SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對測試期間的偏航誤差求均值，結(jié)果為1．91°，該偏差是因?yàn)槠秸`差校正控制程序修正本地風(fēng)向標(biāo)的偏航誤差檢測結(jié)果而引入的。

利用中央監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中“偏航電機(jī)工作時(shí)間”統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用校正控制之前2019年5月16日-6月15日偏航電機(jī)累計(jì)工作時(shí)間為38．3個(gè)小時(shí)；采用偏航校正控制之后2019年8月1日-8月30日偏航電機(jī)累計(jì)工作時(shí)間為32．5 個(gè)小時(shí)。偏航電機(jī)的動(dòng)作率由5．32%，降低為4．51%。這說明偏航系統(tǒng)的動(dòng)作頻率明顯降低，這將有助于降低偏航系統(tǒng)的疲勞載荷，提高穩(wěn)定性。

利用中央監(jiān)控系統(tǒng)在上述校正前一個(gè)月和校正后一個(gè)月的10min數(shù)據(jù)，做出機(jī)組網(wǎng)側(cè)功率的散點(diǎn)圖，并求出每0．5m/s風(fēng)速區(qū)間的功率均值，如圖7所示。從散點(diǎn)圖中可以看出：采取校正措施后，在相同風(fēng)速下，網(wǎng)側(cè)功率10min 均值可以達(dá)到一個(gè)更高的輸出。校正后的功率曲線要優(yōu)于采取校正措施措施之前。根據(jù)功率曲線進(jìn)行年發(fā)電量計(jì)算，結(jié)果表明：本測試項(xiàng)目采取交替校正的控制策略后年發(fā)電量可以提高1．87%。

圖7 校正前后功率曲線比較

7 結(jié)束語

項(xiàng)目基于Lidar測風(fēng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的偏航誤差校正問題進(jìn)行了深入的研究，主要成果和需要進(jìn)一步研究的問題總結(jié)如下。

通過對Lidar的風(fēng)向測量原理進(jìn)行分析，得出了應(yīng)用Lidar 的檢測結(jié)果直接或間接進(jìn)行偏航誤差校正的局限性，提出只有在機(jī)組上游沒有明顯尾流，地表粗糙度比較小的情況下，才能得到高精度的檢測結(jié)果。地形和上游風(fēng)機(jī)尾流對Lidar風(fēng)向檢測結(jié)果的影響需要進(jìn)一步研究。

通過對葉輪前方的風(fēng)向變化規(guī)律進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)要檢測到不受干擾的自由流的風(fēng)向進(jìn)行偏航誤差控制，測試點(diǎn)距葉輪的距離應(yīng)大于1．5D，徑向位置在3R/4～R之間為宜。

設(shè)計(jì)了一套擬合偏航誤差傳遞函數(shù)的方法和偏航誤差校正交替控制策略。該方案只需經(jīng)過短期安裝Lidar，得到足夠的測試數(shù)據(jù)，擬合出可信度較高的偏航誤差傳遞函數(shù)，應(yīng)用到設(shè)計(jì)出的控制策略中即可完成，無需增加硬件成本。經(jīng)過實(shí)際測試表明，該方案可以降低機(jī)組偏航動(dòng)作的頻率，有助于提高機(jī)組的發(fā)電量，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。