渦輪機入流中尾流探測方法分析

范朝峰 陳 靜 袁志鋼 張 磊 蘇 俊

1.國家電投集團江蘇海上風力發電有限公司 江蘇 鹽城 224399;2.如東和風海上風力發電有限公司 江蘇 南通 226499;3.國家電投集團江蘇新能源有限公司 江蘇 南京 210003

1 簡介

相干多普勒測風激光雷達是一種新型的風速風向測定裝置,它提供了遙感風速的可能性。這些裝置特別適用于需要在邊界層的前100 m內進行風力測量的風能應用。它們的空間和時間分辨率允許在公用事業規模的風力渦輪機[1,2,3]周圍進行測量和流動征。還對安裝在機艙[4]頂部或旋轉器[5]內部的激光雷達進行了研究,以獲取有關渦輪機入流的信息。這導致了從激光雷達輔助偏航[6]和俯仰控制[7]到功率曲線驗證[8]再到風電場控制[9]的各種應用。

與機艙式激光雷達系統相關的問題之一是僅測量風速的視線分量的局限性。為了獲得對控制應用（如轉子有效風速、偏航失準或垂直剪切）有用的入流信息,需要使用適當的風模型進行重建[10]。通常假設水平均勻性。雖然在均勻平坦的地形中可以很好地滿足這一假設,但在復雜地形中或當尾流影響視野時,這一假設被嚴重違反。

因此,有必要探測違反水平均勻性假設的流動情況。從圖1和2中可以看出尾流對激光雷達系統進行的失準度測量的嚴重影響。

圖1例示了三種情況。在與渦輪機對準的左側水平均質流上顯示。在這種情況下,每個焦點處的視線分量相等,并且測得的失準度φ=0。當流動失準時（在中心面板上顯示為“＞0”的情況）,左焦點處的視線分量減小,而右焦點的視線分量增大。這導致了φ＞0的測量值。

如果違反水平均勻性假設,即使流動對準,風矢量也具有不同的大小。一個簡化的情況顯示在圖1的右面板中,其中入流的左側顯示了降低的速度。例如,這可能是由尾流引起的。與中心面板類似,這將導致左焦點上的LOS分量減少,從而導致測量的φ＞0的失準度,盡管流動已對準。

圖1 左:與渦輪機對準的均質入流。中心:與渦輪機未對準的均質入流。右:風場左部上的撞擊尾流。

尾流對實驗失準度測量值的影響見圖2。機本文給出了10分鐘的平均值。另一臺上游渦輪機的尾流位置用黑色垂直線表示。在尾流扇區之外,可以觀察到大約 +5°的平均失準度。然而,在尾流內,可以看出失準度變化很大,達到了高達±35°的失準度。這意味著探測尾流的情況至關重要,因為偏置的激光雷達測量結果可能導致渦輪機對準錯誤,從而導致能量損失。

圖2 渦輪機失準度與遇見的桅桿風向的關系;垂直的黑線表示尾流狀況。

2 方法論

在本研究中,我們希望利用機艙式連續波（CW）激光雷達系統來探測渦輪機入流中的尾流。

視線風速可以用風矢量的視線分量與加權函數的卷積來表示。

這里n是波束單位矢量,r是指向焦點位置的矢量,u是三維風矢量場,s是沿波束與焦點的距離。對于聚焦的連續波相干激光雷達,加權函數（在遠焦距處）可以用洛倫茲分布充分近似[11]:

其中zR是所謂的瑞利長度。

尾流探測方法基于兩個原理:

（?。┪擦鳟a生的湍流的長度尺度明顯小于環境湍流的尺度。文獻[12]已經證明了這一點,其中表明添加尾流的湍流可以通過長度尺度比環境湍流小得多的合成湍流來建模。這些模型很好地擬合了實驗觀察。

（ⅱ）小尺度湍流是增加多普勒頻譜寬度的原因。由于連續波激光雷達的大探頭體積,小尺度的波動將被衰減。濾波后的湍流將使多普勒頻譜變寬。文獻[13]對此進行了實驗驗證。

其中vr（t）是由激光雷達測得的風速（見方程式1）,W（t,v）是多普勒頻譜,是時間和視線速度的函數,v是積分偽函數。

為了便于探測,用視線速度vr歸一化譜方差,得到視線TI。通過比較兩種不同射束的值,可以探測到入流中的尾流。LOS TI差異的符號顯示了轉子的哪一半受到尾流的影響。當遇到與平均LOS TI相比較高的瞬時LOS TI值時,標記為完全尾流。

圖3中給出了兩種不同光譜的例子,其中一束激光束在尾流中進行測量。兩個光譜均在5s內得到。可以看出,藍光光譜的寬度要大得多,表明存在大量的小尺度湍流。

圖3 兩個光譜的例子,其中藍色光譜由于尾流內的測量而顯示出增強的峰寬。

3 實驗裝置

在Vestas V80渦輪機上安裝了一個由文大光電公司（WindarPhotonics）生產的連續波短艙激光雷達。該裝置是一種范圍80m的近程激光雷達,可以在間距角度為60°的兩個不同的聚焦位置依次聚焦。測量周期從2014年11月初到2015年3月中旬。共獲得約10,000個10min周期。該地點見圖4,其中帶有激光雷達系統的渦輪機由標記器指示。也可以看到周圍的渦輪機。

圖4 測試地點的谷歌地球屏幕截圖

4 結果

上一節中提到的實驗活動的結果可以在圖5和圖6中找到。測量在焦距80m處進行。首先,顯示了視線TI與偏航角的函數關系。在這里,我們考慮了距離配備激光雷達的渦輪機最近的5個渦輪機的尾流。

圖5 光束1和光束2的LOS TI圖解。實點表示渦輪機的位置。

從圖5中可以看出,當渦輪機指向周圍渦輪機之一時,LOS TI在偏航角處明顯更高。此外,當順時針旋轉時,可以看到光束2將首先受到尾流的影響,因為從渦輪機看,該光束指向右側（再次比較圖1）。因此,通過比較LOS TI的差異,可以給出轉子的哪一側受尾流影響的信息。此外,光束2的LOS TI值通常低于波束1的值。原因在于渦輪機平均未對準。光束2上的LOS風速更高,因此降低了LOS TI。

其次,圖6給出了尾流探測算法的性能。頂部面板顯示了渦輪機相對于其偏航位置的10分鐘平均失準角。正弦曲線表明尾流對激光雷達測量結果的影響（與圖2相比）。周圍的渦輪機顯示為彩色垂直線,尾流的正弦影響以它們為中心。較近的渦輪機往往會產生更嚴重的尾流效應,因為與較遠的渦輪機相比,風速不足恢復得更少。

圖6 10分鐘平均渦輪機失準與偏航位置的關系。垂直線指示周圍的渦輪機。

紅色、品紅和黑色散射點分別表示探測到的半尾流和全尾流狀況。這里的尾流1是指轉子的左半部的尾流（從激光雷達上看）和右半部的尾流2?？梢钥闯?可以捕捉到相應的尾流狀況,并且可以區分半尾流和全尾流。存在一些離群點,特別是對于半尾流情況。它可能是由于額外湍流的非尾流源（如建筑物或樹木）所致。

底部面板顯示消除所有尾流狀況后的失準信號。在這里可以看出,它能夠消除正弦尾流影響。這種信號可用于風力渦輪機偏航對準。

5 結論

在本文,我們提出了一種使用2光束機艙式激光雷達探測渦輪機的入流中的尾流狀況的方法。

這很重要,因為從激光雷達測量結果中得出風場信息的假設意味著兩個光束之一的尾流被解釋為大失準。多普勒峰寬可用于測量尾流中發現的小尺度湍流。我們展示了一項測量活動的結果,其中已經測試了尾流探測算法。結果很有希望,這意味著可以探測受尾流影響的渦輪機入流。因此,機艙式激光雷達可用作渦輪機失準傳感器。未來的工作包括對不同環境湍流水平的分析。興趣在于在高環境湍流的情況下測試算法,其中峰寬的差異可能不那么顯著。我們還將研究不僅探測尾流而且同時估計尾流不足的可能性。

學習目標可歸納為:

·機艙式激光雷達可以測量風力渦輪機的失準,但尾流狀況包括測量中的偏差。

·尾流湍流增加了激光雷達測量結果的多普勒峰寬。

·通過對激光雷達多普勒峰值的比較,可以探測到渦輪機入流中的二次集中統計矩尾流。

·一種探測算法可以用來標記受尾流影響的入流,從而允許機艙式激光雷達用作渦輪機失準