基于激光雷達測風儀的MW級風電機組偏航優化控制方法

邵國策

摘要：激光雷達測風儀（lidar anemometer，下文簡稱 Lidar）不僅在風能資源測量中顯現出了巨大優勢，激光雷達測風技術的不斷發展也為風電機組的智能化提供了更廣闊的空間。將 Lidar應用于風電機組，進行風況的多參數準確測量和機組優化控制的研究。

關鍵詞：激光雷達測風儀;風電機組;偏航優化;控制方法

前言

為了能通過短時安裝激光雷達測風儀對傳統的風向標測得偏航誤差進行修正，提高風電機組的對風精度，根據激光雷達測 風儀的風向檢測原理和實測數據的分析，總結了葉輪前方風向變化的規律，確定了要檢測到不受機組干擾的風向的最佳檢 測距離和檢測光束的錐角;經過不同風速段的偏航誤差特點分析，采用了分高、低兩個風速段，用最小二乘法去擬合從本地 風向標到激光雷達測風儀的偏航誤差傳遞函數的方法，并設計了偏航誤差交替校正控制策略。

1、項目概述

選取3號機組為測試機組，在主導風向上地勢相對平坦，且沒有上游風機的尾流影響。機組額定功率 2500kW，葉輪直徑為 121m，額定風速 10m/s（安裝地空氣密度下）。機組上安裝了一臺四光束激光雷達測風儀，可以同時采集前方50-200米十個不同距離的風況信息。因為在風電機組實際運行過程中，機組的效率、載荷與風向無關，影響機組性能的是偏航對風的誤差。機艙上安裝的測風儀，直接檢測到的是機組的偏航誤差，即測風儀參考零位線與風向的夾角。

2、檢測原理

Lidar是基于對左右兩側光束方向檢測位置處氣流流速的大小，進行偏航誤差計算的。但是，葉輪沒對正風向、兩個檢測位置的實際風速不同這兩個因素都會導致Vlos1和Vlos2的大小有差異。在后期的數據處理過程中，會一起影響機組偏航誤差的計算。所以，Lidar不能有效區分機組的實際偏航誤差和風速的水平切變。在上游地表粗糙度比較大，或者上游機組尾流影響嚴重的扇區，用Lidar的偏航誤差檢測結果進行偏航控制，可能會引入不確定性誤差。本項目參考了風電機組功率特性測試標準IEC61400-12-1：2017[10]的規定，只有符合安裝測風塔條件的扇區，才可以作為進行偏航校正有效數據采集的扇區。

3、偏航誤差與傳遞函數分析

3.1處理數據

數據分別取自SCADA系統記錄的機組本地測風儀測得的 10min 偏航誤差和 Lidar 數據采集系統記錄的10min偏航誤差。無效測量數據會嚴重影響偏航誤差的統計，進而影響擬合的傳遞函數的有效性，因此需要進行數據預處理，包括數據篩選和數據質量檢查2個步驟。數據篩選：剔除風電機組偏航系統在“not active”狀態下的數據;剔除在有效測量扇區之外的數據;剔除風速低于切入風速和高于額定風速的數據;剔除絕對值大于30°的數據。

數據的質量檢查：確保測試信號在正常范圍內且可利用;確保傳感器正常運行;確保數據采集系統正常運行;激光測風儀測量數據有效率大于0.3。由于風向的畸變受風速影響較大，采用風速分區擬合的方式，分3～6.5m/s，6.5-10m/s兩個區段，從切入風速（3m/s）到額定風速（10m/s）分區擬合傳遞函數。剔除所有無效數據后，保證在擬合的風速區段內，在[-10°～10°]的偏航誤差范圍內，每 0.5°區間至少有 5 個以上有效數據，以保證最終的擬合精度。

3.2分析偏航誤差與傳遞函數

測試期間本地風向標的10min偏航誤差測量結果平均值為0.11°，均方差為5.39°，說明機組在控制系統作用下能進行良好的風向跟蹤，風向標安裝的精度和機組的偏航控制策略滿足要求。而Lidar的偏航誤差檢測結果均值為2.13°，均方差為4.92°。這主要是因為測試期間機組以本地風向標的檢測輸入作為偏航控制偏差，沒有追蹤Lidar測得的風向。二者平均值的偏差2.02°，即為本地測風儀受葉輪旋轉的干擾而產生的測量偏差。

4、結果

利用中央監控系統的實時數據中“偏航電機工作時間”統計結果，采用校正控制之前2019年5月16日-6月15日偏航電機累計工作時間為38.3個小時;采用偏航校正控制之后2019年8月1日-8月30日偏航電機累計工作時間為32.5個小時。偏航電機的動作率由5.32%，降低為4.51%。這說明偏航系統的動作頻率明顯降低，這將有助于降低偏航系統的疲勞載荷，提高穩定性。

利用中央監控系統在上述校正前一個月和校正后一個月的10min數據，做出機組網側功率的散點圖，并求出每0.5m/s風速區間的功率均值。從散點圖中可以看出：采取校正措施后，在相同風速下，網側功率10min均值可以達到一個更高的輸出。校正后的功率曲線要優于采取校正措施措施之前。根據功率曲線進行年發電量計算，結果表明：本測試項目采取交替校正的控制策略后年發電量可以提高1.87%。

5、結語

通過對Lidar的風向測量原理進行分析，得出了應用Lidar 的檢測結果直接或間接進行偏航誤差校正的局限性，提出只有在機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果。地形和上游風機尾流對Lidar風向檢測結果的影響需要進一步研究。通過對葉輪前方的風向變化規律進行分析，發現要檢測到不受干擾的自由流的風向進行偏航誤差控制，測試點距葉輪的距離應大于1.5D，徑向位置在3R/4～R之間為宜。設計了一套擬合偏航誤差傳遞函數的方法和偏航誤差校正交替控制策略。該方案只需經過短期安裝Lidar，得到足夠的測試數據，擬合出可信度較高的偏航誤差傳遞函數，應用到設計出的控制策略中即可完成，無需增加硬件成本。經過實際測試表明，該方案可以降低機組偏航動作的頻率，有助于提高機組的發電量，具有實際工程應用價值。

參考文獻

[1] 楊偉新，宋鵬，白愷，等. 基于機艙式激光雷達測風儀的風電機組偏航控制偏差測試方法[J]. 華北電力技術，2016（7）：59-63.

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