​机舱式激光雷达在风机功率曲线测试中的应用与实例分析

 　　引言

功率曲线测试，是一种较为客观的评价风机性能的方法，是风机性能优化、风机研发测试等一系列研究工作的前提。近十几年，中国风电行业保持了长时间、高速度的发展，主流风机的单机容量、叶轮直径越来越大，根据IEC的功率曲线测量标准，要测量风机前方更远距离的风速[1]。同时，越来越复杂的风电场现场，使得风机面对更为复杂的风速状况，对风机功率曲线、风机性能评估提出了更高、更复杂的要求[2]。

常规功率曲线测量的周期较长，并且需要单独建造测风塔，有时还会涉及到复杂的场地标定。新形势下，功率曲线测试的发展方向是：准确可靠、高效快速、高性价比、可识别复杂风场状况。近年来，激光雷达(LightDetection andRanging，简称LiDAR)，发展迅速，已经成为风机功率曲线测试的重要方式，得到了风电行业的认可。激光雷达，是利用激光来进行探测的遥感设备，利用气溶胶的多普勒效应进行风场测量。测风激光雷达采用可见光或近红外波段进行主动遥感测量，具有下列优点：高时空分辨率、强抗干扰能力、准确的测量精度、可全天不间断工作。

随着激光雷达在功率曲线测试方面的应用，国际电工委员IEC也在不断更新和发布更多的测试标准。在2012年，IEC64100-12-1标准，增加了地面遥感测风设备进行功率曲线测试的规定[3]。IEC64100-50-3标准也计划在2021年发布，针对机舱式激光雷达功率曲线测试明确了要求。激光雷达，越来越成为风电行业在功率曲线测量方面的选择。

1.项目介绍

为了验证机舱式激光雷达对风场的测量性能，本项目通过将机舱式激光雷达和IEC标准的测风塔、地面激光雷达进行对比。测试风机是一台8MW风机，叶轮直径167米，轮毂高度120米。测量场地，选在在丹麦技术大学DTU的Østerild测试场地，测量时间从2019年6月至2020年2月，一共进行了9个月的测量。项目的设备分布图、详细信息，详见图1和表1.

在IEC61400-12-1中，功率曲线测试需要测量风机前2D到4D处的风速，推荐测量2.5D[3]。测量设备布置如下：1)Leosphere的WindCubeNacelle机舱式激光雷达(之前称WindIris)，安装在风机机舱上，最远可以测量到风机前750米;2)一座高120米的完全符合IEC标准的测风塔，在风机前380米处;3)两个地面激光雷达WindCube，位于风机前395米和550米处。

 

　图1：项目设备与风机位置示意图

    表1：项目选用设备型号与位置的详细信息

2.测量结果

2.1 远量程的数据有效率

激光雷达的数据有效率是功率曲线测试中的关键参数。十分钟平均数据结果显示，在750米的距离内，激光雷达的数据有效性，在87%至95%之间。该测试结果说明，长距离机舱式激光雷达在750米较远的测量范围内均保持了较好的数据有效率，长距离机舱式激光雷达具有很好的测风能力，可以充分测量750米风场的演化情况，完全胜任现在和以后一段时间内大叶轮风机功率曲线测试的要求。

图2：各个测量距离的数据有效率

2.2 远距离量程的性噪比

载波性噪比CNR，可以表示激光雷达接受到的返回信号的强度，下图显示了激光束上CNR分布。CNR的峰值在220米，在所有测量范围上，信号强度均较好，表明激光雷达在750米的距离内的测量质量较好。

图3：各个测量距离的信噪比CNR

　　2.3 风速测量精度

　　通过与测风塔、地面激光雷达进行比较，下图是机舱式激光雷达的测试结果：1)机舱式激光雷达与IEC测风塔线性拟合公式为：y=0.995x+0.0367.相关系数平方为0.9905;2)机舱式激光雷达与550米处地面激光雷达的拟合公式为：y=1.0005x-0.0843.相关系数平方为0.9843.线性拟合结果的斜率、截距、相关系数均较好，机舱式激光雷达用作风机功率曲线测试的精度是可以信赖的。

2.4 测量效率

机舱式激光雷达随着风机偏航、实时对准风向，可以较好地提升了测量效率。同时，相对于地面固定点的测量，机舱式激光雷达可以测量不同风向扇区的风机功率曲线，评估不同来流方向下的风机性能。

图5是测量时段地面激光雷达的风速玫瑰图。左图是全部风速段下的风玫瑰图;右图是风速大于3m/s且小于20m/s时的风玫瑰图。风速玫瑰图表明，测量场地的主导风向为西风。

下表2是测量时间内，不同风向下的风速百分比。在西西南、西南两个风向区间内，测风塔的代表性较好，在这两个区间，时间的百分比之和为22.2%。但是如果采用机舱式激光雷达，其他风向下的风速测量也可用作功率曲线测试的样本，可以显著提高测量效率。如果不考虑其他因素，可提高测量效率4.5倍。

　　图5：测量时段地面激光雷达的风速玫瑰图(左图：全部风速段;右图：风速大于3m/s，且小于20m/s)

　　表2：测量时间内，不同风向下的风速百分比(单位：%)

　　3.结论

　　为了验证机舱式激光雷达对风场的测量性能，本项目通过将机舱式激光雷达和符合IEC标准的测风塔、地面激光雷达进行对比。

　　1)机舱式激光雷达的测量精度较好：机舱式激光雷达与IEC测风塔线性拟合公式为：y=0.995x+0.0367.相关系数平方为0.9905;机舱式激光雷达与550米处地面激光雷达的拟合公式为：y=1.0005x-0.0843.相关系数平方为0.9843.线性拟合结果的斜率、截距、相关系数均较好，机舱式激光雷达用作风机功率曲线测试的精度是可以信赖的。

　　2)机舱式激光雷达随着风机偏航、实时对准风向，可以较好地提升了测量效率。分析测量时间内不同风向下的风速百分比，机舱式激光雷达可以显著提高测量效率，最大可提高测量效率4.5倍。

　　3)机舱式激光雷达的数据有效率，在750米的距离内，在87%至95%范围之间，并且信噪比均较好。长距离机舱式激光雷达具有很好的测风能力，可以充分测量750米风场的演化情况，可用于现在和未来的大叶轮风机功率曲线测试的要求。

　　参考文献：

　　[1]梁志，“机舱式激光雷达在风电后市场领域的应用方向与案例分析，”《风能产业》，2019.

　　[2] 刘阳林，叶小广，杨超，and刘庆超，“一种风力发电机组功率曲线的验证方法，”发电与空调，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

　　来源：《风能产业》2022.04