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

隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，如何經(jīng)濟合理地對海上風(fēng)電機組的功率曲線進行測試驗證成了風(fēng)電場運營商、整機廠商和測試機構(gòu)共同關(guān)心的問題，因此為海上風(fēng)電機組的功率曲線測試尋求更為經(jīng)濟和高效的測風(fēng)方法顯得很有必要。掃描式激光雷達作為最新一代測風(fēng)激光雷達技術(shù)的代表，應(yīng)用前景廣闊，近年來業(yè)內(nèi)許多專家學(xué)者對其進行了大量的研究。文獻[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)對掃描式激光雷達測試數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制的方法，有效地提高了反演數(shù)據(jù)的精度。文獻[8] 基于梯度下降算法，提出了一種新的VAD風(fēng)場反演算法，可同時兼顧掃描式激光雷達的測量效率和準(zhǔn)確性，有效地提升了其對動態(tài)風(fēng)場的監(jiān)測能力。文獻[9] 在春季季風(fēng)間斷期間利用掃描式激光雷達進行大氣風(fēng)廓線測量試驗，驗證了采用激光雷達對海陸風(fēng)特征進行觀測的可行性。文獻[10] 基于激光雷達的觀測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析驗證了其在低空大氣急流結(jié)構(gòu)特征監(jiān)測中的有效性。以上研究表明，掃描式激光雷達經(jīng)過數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和算法的優(yōu)化設(shè)計，其測量精度已得到了很大提高，并已在氣象監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測和飛行安全測試等領(lǐng)域得到了應(yīng)用[11]，但因風(fēng)電機組功率曲線測試對風(fēng)速測量精度的要求更高，其適用性還需進一步驗證。

本文基于上述掃描式激光雷達設(shè)計了一套功率曲線測試系統(tǒng)，然后通過現(xiàn)場試驗闡述用其進行海上風(fēng)電機組功率曲線測試的方法，并分析驗證其可行性。

1 掃描式激光雷達介紹

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

表1 掃描式激光雷達的參數(shù)表

采用激光雷達的PPI掃描模式進行海上風(fēng)電機組功率曲線測試的原理圖如圖1所示。

圖1 激光雷達的PPI掃描模式測量原理圖

其中掃描角度α的范圍和徑向風(fēng)速測量點的數(shù)量可根據(jù)需要進行設(shè)置，掃描仰角θ需根據(jù)目標(biāo)位置的高度和激光雷達的安裝位置計算得到。綜合考慮激光雷達的測量效率和精度，測試時將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量7個點(如圖1中V1～V7)的徑向風(fēng)速，然后通過VAD反演計算得到目標(biāo)位置的水平風(fēng)速和風(fēng)向。

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

2 功率曲線測試系統(tǒng)

結(jié)合功率曲線測試的具體要求設(shè)計了一套基于掃描式激光雷達的功率曲線測試系統(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)等參量的測量以及相關(guān)機組狀態(tài)信號的采集，如圖2所示。

圖2 功率曲線測試系統(tǒng)組成

風(fēng)電機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進行測量，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進行測量，將其安裝在激光雷達附近并接入激光雷達系統(tǒng)與風(fēng)速風(fēng)向同步采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理時將結(jié)果換算至輪轂中心高度。風(fēng)電機組的凈有功功率通過功率變送器進行測量，功率變送器精度為0.5級。采用三個電流互感器對機組的每相電流分別進行測量，測量點設(shè)在機組凈功率輸出位置，電流互感器精度為0.5級。對于大多數(shù)低壓側(cè)為690 V的風(fēng)電機組，本系統(tǒng)可直接在機組低壓側(cè)進行電壓采樣，無需額外安裝電壓互感器。此外，數(shù)據(jù)篩選時所用的機組并網(wǎng)、限功率運行、可利用等狀態(tài)信號，以及數(shù)據(jù)校驗時所需的機組SCADA功率，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、偏航角度、槳距角等參量直接從機組控制器引出至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。凈有功功率和機組狀態(tài)信號對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與激光雷達系統(tǒng)通過GPS校時保證數(shù)據(jù)同步。

3 功率曲線測試試驗

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

3.1 測試場地地形及測試扇區(qū)評估

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

圖3 機組布局及測試扇區(qū)

3.2 測風(fēng)激光雷達性能驗證

激光雷達是否適用于風(fēng)電機組的功率曲線測試需通過與參考風(fēng)速計的對比測試進行驗證。對比測試以安裝在測風(fēng)塔上的風(fēng)杯風(fēng)速計作為參考，測風(fēng)塔位于距離風(fēng)電場約8 km的一個島嶼上，激光雷達安裝固定在岸邊的混凝土平臺上，距離測風(fēng)塔1.84 km，周圍無遮擋，激光雷達和測風(fēng)塔的位置如圖4所示。參考風(fēng)速計安裝在測風(fēng)塔80 m高度處，激光雷達采用PPI模式以參考風(fēng)速計為目標(biāo)位置進行掃描測量，激光雷達與參考風(fēng)速計的高度差為78 m，經(jīng)過計算得到掃描仰角θ為2.43°，掃描角度α的范圍設(shè)置為[221°～281°]，每隔10°取一個徑向風(fēng)速測量點。由于風(fēng)向在掃描區(qū)域內(nèi)時激光雷達的準(zhǔn)確度較高，且風(fēng)向相差180°時的測量特性相同，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°]作為測試扇區(qū)。激光雷達系統(tǒng)與測風(fēng)塔數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過GPS校時實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集。

圖4 測風(fēng)激光雷達和測風(fēng)塔的位置

測試數(shù)據(jù)處理成10 min平均值后對4～16 m/s區(qū)間的數(shù)據(jù)進行對比分析，把激光雷達與參考風(fēng)速計在同一時間的測量值進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與參考風(fēng)速計的風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.988，回歸系數(shù)為0.987，符合測試標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

圖5 激光雷達與參考風(fēng)速計對比

3.3 數(shù)據(jù)采集、篩選、統(tǒng)計

測試期間保持機組正常運行且不更改機組的配置，數(shù)據(jù)篩選時剔除以下數(shù)據(jù)：

(1)測試扇區(qū)之外的數(shù)據(jù)。

(2)機組停機、故障、限功率運行時的數(shù)據(jù)。

(3)測試系統(tǒng)故障或異常時的數(shù)據(jù)。

(4)測風(fēng)激光雷達顯示的無效數(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)計到0.5 m/s間隔的BIN區(qū)間。

3.4 測風(fēng)激光雷達測試一致性驗證

采用激光雷達進行功率曲線測試時可在附近設(shè)置一個監(jiān)控測風(fēng)塔用以確保其測試的一致性，但由于在海上單獨建造測風(fēng)塔的成本較高，本試驗在功率曲線測試結(jié)束后按照測試前激光雷達性能驗證的方法與測風(fēng)塔上的參考風(fēng)速計重復(fù)進行一次對比測試，通過比較前后兩次測試結(jié)果來驗證激光雷達測試的一致性。測試數(shù)據(jù)處理成10 min平均值后對4～16 m/s區(qū)間的數(shù)據(jù)進行對比分析，把激光雷達與參考風(fēng)速計在同一時間的測量值再次進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與參考風(fēng)速計的風(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，與功率曲線測試前的值變化不大，這表明激光雷達在功率曲線測試前后保持著良好的測試一致性，可認(rèn)為在功率曲線測試期間激光雷達的測量結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

圖6 測試后激光雷達與參考風(fēng)速計對比

3.5 測試結(jié)果及分析

功率曲線測試數(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，將測試結(jié)果換算至參考空氣密度(1.225 kg/m3)并與機組的保證功率曲線以及基于機艙風(fēng)速計法測得的功率曲線進行比較，結(jié)果如圖7所示。從圖中可看出基于激光雷達的測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)間機組開始切入，由于機組自用電損耗占比較大，實測功率低于保證功率，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)間機組升功率運行，實測功率高于保證功率，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，實測功率低于保證功率，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)間機組將要達到額定功率而進行頻繁槳距調(diào)節(jié)導(dǎo)致該處偏差值較大；達到額定風(fēng)速后機組實測功率基本等于保證功率且保持穩(wěn)定。

圖7 測量功率曲線與保證功率曲線比較

由于測試場址變化、偏航對風(fēng)誤差以及葉輪尾流等因素的影響造成機艙風(fēng)速傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確度較低，導(dǎo)致基于機艙風(fēng)速計法的測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)(為避開機組共振)的偏差幅度較大。

總體上，基于掃描式激光雷達的測量功率曲線與保證功率曲線的吻合度明顯優(yōu)于基于機艙風(fēng)速計法的測量功率曲線，這表明本功率曲線測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性較好，同時也驗證了采用掃描式激光雷達測風(fēng)的方法進行海上風(fēng)電機組功率曲線測試是可行的。

4 結(jié)論

(1)采用掃描式激光雷達進行海上風(fēng)電機組功率曲線測試的結(jié)果與保證功率曲線吻合度較高，且明顯優(yōu)于基于機艙風(fēng)速計法的測量功率曲線，驗證了該方法的可行性。

(2)掃描式激光雷達與參考風(fēng)速計在功率曲線測試前后的相關(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，表明該激光雷達具有良好的測試一致性。

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