激光雷達探測渦輪機的入流中的尾流

張 磊 蘇 俊 范朝峰 陳 靜 袁志鋼

1.國家電投集團江蘇新能源有限公司 江蘇 南京 210003;2.國家電投集團江蘇海上風力發電有限公司 江蘇 鹽城 224005;3.如東和風海上風力發電有限公司 江蘇 鹽城 224005

1 引言

現代風力渦輪機通常遵循逆風渦輪機設計,其中轉子安裝在塔架的上游。這種設計需要主動偏航角控制,傳統上使用安裝在機艙上的聲波風速計或風向標失準度測量值來使渦輪機與風對準。偏航電機驅動很慢,以避免其部件過度磨損,臨時偏航失準是不可避免的（Burton等,2011）為了探測尾流,使用了派生的扇形平均風速和湍流強度。然而,僅測量沿激光束的視線 （LOS）分量需要激光雷達系統探測轉子平面上多個位置的風場,對傳入流場進行假設以推導出渦輪機的偏航失準度,從而導致限制。因此,機艙式激光雷達旨在將激光導向多個焦點位置。最簡單的設置是一個雙光束系統,它掃描渦輪機輪轂高度的兩個水平位置;見圖1。

圖1

安裝在風力渦輪機上以測量偏航失準度的雙光束機艙式激光雷達的圖示。失準的水平均勻流動將影響兩個焦點位置的LOS測量（a）其中一個光束的視場中的尾流會以與失準流類似的方式影響LOS測量值（b）從激光雷達測量值中無法區分這兩種情況。

為了從機艙式激光雷達測量值中推導出偏航失準度,進行了兩個常規假設:

1.無垂直風矢量分量

2.水平均勻流動

本研究中,利用Windar光電雙光束機艙式激光雷達研究了尾流對渦輪機偏航失準度測量的影響。目的是探測導致偏置的失準測量的半尾流情況,并校正這些測量值,使得它們可以用于執行渦輪機偏航對準。

2 機艙式激光雷達的測量原理

三維 （3D）風場的發射部分可以由矢量場u（x,t）=（u1,u2,u3）描述,其中x和t指空間和時間上的位置。激光雷達系統可以通過測量來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感測風速。CW系統連續地發射聚焦在空間點上的光,而脈沖系統發射光包,并隨著光在空間中前進而測量反向散射。在本研究中,我們將重點關注cw激光雷達

3 尾流探測算法

尾流探測算法基于以下兩個原理:

1.在風力渦輪機內,產生了長度尺度小于周圍流動的尾流湍流。

2.由于激光雷達系統的大探頭體積,小尺度湍流將導致多普勒頻譜的展寬。

通過模擬,風洞實驗和現場試驗,研究了小尺度湍流的產生。主要目的是驗證平均尾流虧損曲線,但一些研究也研究湍流曲線和應用光譜分析。

激光雷達估計的10分鐘平均偏航失準度φ^與渦輪機偏航位置的函數關系。垂直黑線指示上游Nordtank渦輪機的位置。可以看到尾流對圍繞尾流區的失準度估計值的明顯影響。

在相同的1分鐘間隔期間收集的兩個激光雷達多普勒頻譜的例子。在自由流動的情況下測量紅色光譜,而藍色光譜受到尾流的影響。對于藍色光譜,可以清楚地看到降低的風速和增加的光譜寬度。在1分鐘內對光譜進行平均。

如果渦輪機以對應于轉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和負的△TILOS的高值。這種情況對于轉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。對于全尾流情況,出現兩個光束上的增加的TILOS,并且△TILOS示出與非尾流、周圍流動條件相當的值。

激光雷達估計的10分鐘平均偏航失準度與渦輪機偏航位置的關系。

氣象桅桿聲波風速計與來自激光雷達的風向估計（即渦輪機的激光雷達失準度+偏航位置）之間的10 min平均風向相關性。在尾流區之外,可以觀察到高度的相似性。所識別的尾流情況導致偏置。僅對無尾流數據執行線擬合。因此,我們建議使用來自聲波風速計的風向測量值來獲得探測參數△TILOS與來自激光雷達和聲波風速計的風向測量中的偏差之間的經驗關系。在轉子右側探測到的半尾流情況顯示出持續的負△TILOS,反之亦然。所識別的全尾流都具有風向誤差,并且△TILOS接近于零。

從激光雷達估計的絕對風向（即渦輪機的激光雷達失準度+偏航位置）與聲波風速計之間的差與探測參數△TILOS的關系。僅示出了其中已經識別了尾流的觀測。線擬合表明數據與線性回歸模型很好地擬合。已經將線性線擬合到數據上,這表明數據近似地遵循線性關系。導出的公式如下:1.39△TILOS+0.13°。這個公式現在可以用于通過受尾流影響的激光雷達來校正失準度測量值。無尾流觀測保持不變。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度的較大偏差的失準度估計值現在處于無尾流觀測的范圍內。可以調節在轉子的左側和右側由半尾流產生的正和負尖峰。

激光雷達估計的10分鐘平均偏航失準度與渦輪機偏航位置的函數關系。垂直黑線表示上游Nordtank渦輪機的位置。

從激光雷達估計的10分鐘平均偏航失準度與氣象桅桿（Met Mast）上的聲速的比較。受尾流影響的觀測結果以藍色示出,而校正后的測量值以紅色示出。

最后,將失準度測量值的概述與由在氣象桅桿處的聲波風速計測量的失準度進行比較。在圖2中示出了失準度與風速的關系。可以看出,激光雷達和聲波測量值都遵循類似的趨勢。在低風速下,失準度集中在大約5°,并且隨著風速的增加,失準度減小。如前所述,已經識別和校正了尾流對激光雷達測量值的影響。可以觀測到來自聲波風速計的稍微較低的風速測量值,這是由氣象桅桿上的Vestas V52渦輪機的尾流引起的（偏航角為289°）。

圖2

4 結論

在本研究中,我們研究了機艙式cw激光雷達系統如何能夠用于估計即使在具有尾流的入流中的風力渦輪機失準度。

本文提出的尾流探測算法是基于激光雷達多普勒頻譜的頻譜展寬效應,這是由于探頭體積內的小尺度湍流。由于激光雷達系統在相當大的測量體積上執行測量,高頻湍流波動被衰減,并且在LOS速度信號中不可見,而是導致多普勒頻譜的展寬。在尾流內產生的小尺度湍流將導致比在周圍流中更寬。因此,通過比較不同聚焦位置處的多普勒頻譜的頻譜寬度,可以探測影響一個或兩個光束的視場的尾流。

因此,我們已經示出了如何減輕尾流對機艙式激光雷達測量值的有害影響。然而,為了進行校正,必須利用來自安裝在桅桿上的聲波風速計的未受干擾的風向測量。已經在該實驗中使用的渦輪機比當前的公用事業規模的渦輪機小。因此,可以使用短的激光雷達聚焦距離,這導致較窄的探頭體積,并且光譜展寬是由于非常小的長度尺度的湍流。在本實驗中,1min的平均光譜足以探測到尾流誘導的湍流。如果激光雷達安裝在需要較大聚焦距離的較大渦輪機上,則探頭體積將增加,并且僅探測尾流內產生的湍流可能需要較短的平均時間。較短的平均時間導致增加的信號噪聲,并且可以對多普勒頻譜變化的估計值產生影響。

實驗期間的周圍湍流強度適中,而大氣的穩定性主要是中性的。因此,可以將尾流中增加的湍流與周圍流區別開來。在具有較高周圍湍流條件的地點,這種區別可能更困難。一種方法是減少激光雷達多普勒頻譜的平均時間,這將只允許小規模波動對多普勒頻譜的寬度有貢獻。