張 磊 蘇 俊 范朝峰 陳 靜 袁志鋼

1.國(guó)家電投集團(tuán)江蘇新能源有限公司 江蘇 南京 210003;2.國(guó)家電投集團(tuán)江蘇海上風(fēng)力發(fā)電有限公司 江蘇 鹽城 224005;3.如東和風(fēng)海上風(fēng)力發(fā)電有限公司 江蘇 鹽城 224005

1 引言

現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)通常遵循逆風(fēng)渦輪機(jī)設(shè)計(jì),其中轉(zhuǎn)子安裝在塔架的上游。這種設(shè)計(jì)需要主動(dòng)偏航角控制,傳統(tǒng)上使用安裝在機(jī)艙上的聲波風(fēng)速計(jì)或風(fēng)向標(biāo)失準(zhǔn)度測(cè)量值來(lái)使渦輪機(jī)與風(fēng)對(duì)準(zhǔn)。偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)很慢,以避免其部件過(guò)度磨損,臨時(shí)偏航失準(zhǔn)是不可避免的（Burton等,2011）為了探測(cè)尾流,使用了派生的扇形平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度。然而,僅測(cè)量沿激光束的視線(xiàn) （LOS）分量需要激光雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)轉(zhuǎn)子平面上多個(gè)位置的風(fēng)場(chǎng),對(duì)傳入流場(chǎng)進(jìn)行假設(shè)以推導(dǎo)出渦輪機(jī)的偏航失準(zhǔn)度,從而導(dǎo)致限制。因此,機(jī)艙式激光雷達(dá)旨在將激光導(dǎo)向多個(gè)焦點(diǎn)位置。最簡(jiǎn)單的設(shè)置是一個(gè)雙光束系統(tǒng),它掃描渦輪機(jī)輪轂高度的兩個(gè)水平位置;見(jiàn)圖1。

圖1

安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)上以測(cè)量偏航失準(zhǔn)度的雙光束機(jī)艙式激光雷達(dá)的圖示。失準(zhǔn)的水平均勻流動(dòng)將影響兩個(gè)焦點(diǎn)位置的LOS測(cè)量（a）其中一個(gè)光束的視場(chǎng)中的尾流會(huì)以與失準(zhǔn)流類(lèi)似的方式影響LOS測(cè)量值（b）從激光雷達(dá)測(cè)量值中無(wú)法區(qū)分這兩種情況。

為了從機(jī)艙式激光雷達(dá)測(cè)量值中推導(dǎo)出偏航失準(zhǔn)度,進(jìn)行了兩個(gè)常規(guī)假設(shè):

1.無(wú)垂直風(fēng)矢量分量

2.水平均勻流動(dòng)

本研究中,利用Windar光電雙光束機(jī)艙式激光雷達(dá)研究了尾流對(duì)渦輪機(jī)偏航失準(zhǔn)度測(cè)量的影響。目的是探測(cè)導(dǎo)致偏置的失準(zhǔn)測(cè)量的半尾流情況,并校正這些測(cè)量值,使得它們可以用于執(zhí)行渦輪機(jī)偏航對(duì)準(zhǔn)。

2 機(jī)艙式激光雷達(dá)的測(cè)量原理

三維 （3D）風(fēng)場(chǎng)的發(fā)射部分可以由矢量場(chǎng)u（x,t）=（u1,u2,u3）描述,其中x和t指空間和時(shí)間上的位置。激光雷達(dá)系統(tǒng)可以通過(guò)測(cè)量來(lái)自懸浮在大氣中的氣溶膠的反向散射激光的多普勒頻移來(lái)感測(cè)風(fēng)速。CW系統(tǒng)連續(xù)地發(fā)射聚焦在空間點(diǎn)上的光,而脈沖系統(tǒng)發(fā)射光包,并隨著光在空間中前進(jìn)而測(cè)量反向散射。在本研究中,我們將重點(diǎn)關(guān)注cw激光雷達(dá)

3 尾流探測(cè)算法

尾流探測(cè)算法基于以下兩個(gè)原理:

1.在風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi),產(chǎn)生了長(zhǎng)度尺度小于周?chē)鲃?dòng)的尾流湍流。

2.由于激光雷達(dá)系統(tǒng)的大探頭體積,小尺度湍流將導(dǎo)致多普勒頻譜的展寬。

通過(guò)模擬,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了小尺度湍流的產(chǎn)生。主要目的是驗(yàn)證平均尾流虧損曲線(xiàn),但一些研究也研究湍流曲線(xiàn)和應(yīng)用光譜分析。

激光雷達(dá)估計(jì)的10分鐘平均偏航失準(zhǔn)度φ^與渦輪機(jī)偏航位置的函數(shù)關(guān)系。垂直黑線(xiàn)指示上游Nordtank渦輪機(jī)的位置?？梢钥吹轿擦鲗?duì)圍繞尾流區(qū)的失準(zhǔn)度估計(jì)值的明顯影響。

在相同的1分鐘間隔期間收集的兩個(gè)激光雷達(dá)多普勒頻譜的例子。在自由流動(dòng)的情況下測(cè)量紅色光譜,而藍(lán)色光譜受到尾流的影響。對(duì)于藍(lán)色光譜,可以清楚地看到降低的風(fēng)速和增加的光譜寬度。在1分鐘內(nèi)對(duì)光譜進(jìn)行平均。

如果渦輪機(jī)以對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子的右半部分上的半尾流條件的角度（即,＜195°）偏航,則可以觀察到TILOS2和負(fù)的△TILOS的高值。這種情況對(duì)于轉(zhuǎn)子的左半部分上的半尾流情況是相反的,其中可以注意到高TILOS1和正的△TILOS。對(duì)于全尾流情況,出現(xiàn)兩個(gè)光束上的增加的TILOS,并且△TILOS示出與非尾流、周?chē)鲃?dòng)條件相當(dāng)?shù)闹怠?/p>

激光雷達(dá)估計(jì)的10分鐘平均偏航失準(zhǔn)度與渦輪機(jī)偏航位置的關(guān)系。

氣象桅桿聲波風(fēng)速計(jì)與來(lái)自激光雷達(dá)的風(fēng)向估計(jì)（即渦輪機(jī)的激光雷達(dá)失準(zhǔn)度+偏航位置）之間的10 min平均風(fēng)向相關(guān)性。在尾流區(qū)之外,可以觀察到高度的相似性。所識(shí)別的尾流情況導(dǎo)致偏置。僅對(duì)無(wú)尾流數(shù)據(jù)執(zhí)行線(xiàn)擬合。因此,我們建議使用來(lái)自聲波風(fēng)速計(jì)的風(fēng)向測(cè)量值來(lái)獲得探測(cè)參數(shù)△TILOS與來(lái)自激光雷達(dá)和聲波風(fēng)速計(jì)的風(fēng)向測(cè)量中的偏差之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。在轉(zhuǎn)子右側(cè)探測(cè)到的半尾流情況顯示出持續(xù)的負(fù)△TILOS,反之亦然。所識(shí)別的全尾流都具有風(fēng)向誤差,并且△TILOS接近于零。

從激光雷達(dá)估計(jì)的絕對(duì)風(fēng)向（即渦輪機(jī)的激光雷達(dá)失準(zhǔn)度+偏航位置）與聲波風(fēng)速計(jì)之間的差與探測(cè)參數(shù)△TILOS的關(guān)系。僅示出了其中已經(jīng)識(shí)別了尾流的觀測(cè)。線(xiàn)擬合表明數(shù)據(jù)與線(xiàn)性回歸模型很好地?cái)M合。已經(jīng)將線(xiàn)性線(xiàn)擬合到數(shù)據(jù)上,這表明數(shù)據(jù)近似地遵循線(xiàn)性關(guān)系。導(dǎo)出的公式如下:1.39△TILOS+0.13°。這個(gè)公式現(xiàn)在可以用于通過(guò)受尾流影響的激光雷達(dá)來(lái)校正失準(zhǔn)度測(cè)量值。無(wú)尾流觀測(cè)保持不變。在校正之后,可以看出,受尾流影響并且先前顯示出與平均失準(zhǔn)度的較大偏差的失準(zhǔn)度估計(jì)值現(xiàn)在處于無(wú)尾流觀測(cè)的范圍內(nèi)?？梢哉{(diào)節(jié)在轉(zhuǎn)子的左側(cè)和右側(cè)由半尾流產(chǎn)生的正和負(fù)尖峰。

激光雷達(dá)估計(jì)的10分鐘平均偏航失準(zhǔn)度與渦輪機(jī)偏航位置的函數(shù)關(guān)系。垂直黑線(xiàn)表示上游Nordtank渦輪機(jī)的位置。

從激光雷達(dá)估計(jì)的10分鐘平均偏航失準(zhǔn)度與氣象桅桿（Met Mast）上的聲速的比較。受尾流影響的觀測(cè)結(jié)果以藍(lán)色示出,而校正后的測(cè)量值以紅色示出。

最后,將失準(zhǔn)度測(cè)量值的概述與由在氣象桅桿處的聲波風(fēng)速計(jì)測(cè)量的失準(zhǔn)度進(jìn)行比較。在圖2中示出了失準(zhǔn)度與風(fēng)速的關(guān)系。可以看出,激光雷達(dá)和聲波測(cè)量值都遵循類(lèi)似的趨勢(shì)。在低風(fēng)速下,失準(zhǔn)度集中在大約5°,并且隨著風(fēng)速的增加,失準(zhǔn)度減小。如前所述,已經(jīng)識(shí)別和校正了尾流對(duì)激光雷達(dá)測(cè)量值的影響。可以觀測(cè)到來(lái)自聲波風(fēng)速計(jì)的稍微較低的風(fēng)速測(cè)量值,這是由氣象桅桿上的Vestas V52渦輪機(jī)的尾流引起的（偏航角為289°）。

圖2

4 結(jié)論

在本研究中,我們研究了機(jī)艙式cw激光雷達(dá)系統(tǒng)如何能夠用于估計(jì)即使在具有尾流的入流中的風(fēng)力渦輪機(jī)失準(zhǔn)度。

本文提出的尾流探測(cè)算法是基于激光雷達(dá)多普勒頻譜的頻譜展寬效應(yīng),這是由于探頭體積內(nèi)的小尺度湍流。由于激光雷達(dá)系統(tǒng)在相當(dāng)大的測(cè)量體積上執(zhí)行測(cè)量,高頻湍流波動(dòng)被衰減,并且在LOS速度信號(hào)中不可見(jiàn),而是導(dǎo)致多普勒頻譜的展寬。在尾流內(nèi)產(chǎn)生的小尺度湍流將導(dǎo)致比在周?chē)髦懈鼘?。因?通過(guò)比較不同聚焦位置處的多普勒頻譜的頻譜寬度,可以探測(cè)影響一個(gè)或兩個(gè)光束的視場(chǎng)的尾流。

因此,我們已經(jīng)示出了如何減輕尾流對(duì)機(jī)艙式激光雷達(dá)測(cè)量值的有害影響。然而,為了進(jìn)行校正,必須利用來(lái)自安裝在桅桿上的聲波風(fēng)速計(jì)的未受干擾的風(fēng)向測(cè)量。已經(jīng)在該實(shí)驗(yàn)中使用的渦輪機(jī)比當(dāng)前的公用事業(yè)規(guī)模的渦輪機(jī)小。因此,可以使用短的激光雷達(dá)聚焦距離,這導(dǎo)致較窄的探頭體積,并且光譜展寬是由于非常小的長(zhǎng)度尺度的湍流。在本實(shí)驗(yàn)中,1min的平均光譜足以探測(cè)到尾流誘導(dǎo)的湍流。如果激光雷達(dá)安裝在需要較大聚焦距離的較大渦輪機(jī)上,則探頭體積將增加,并且僅探測(cè)尾流內(nèi)產(chǎn)生的湍流可能需要較短的平均時(shí)間。較短的平均時(shí)間導(dǎo)致增加的信號(hào)噪聲,并且可以對(duì)多普勒頻譜變化的估計(jì)值產(chǎn)生影響。

實(shí)驗(yàn)期間的周?chē)牧鲝?qiáng)度適中,而大氣的穩(wěn)定性主要是中性的。因此,可以將尾流中增加的湍流與周?chē)鲄^(qū)別開(kāi)來(lái)。在具有較高周?chē)牧鳁l件的地點(diǎn),這種區(qū)別可能更困難。一種方法是減少激光雷達(dá)多普勒頻譜的平均時(shí)間,這將只允許小規(guī)模波動(dòng)對(duì)多普勒頻譜的寬度有貢獻(xiàn)。