激光雷達(dá)探測渦輪機(jī)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(tuán)江蘇新能源有限公司 江蘇 南京 210003;2.國家電投集團(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)度測量值來使渦輪機(jī)與風(fēng)對準(zhǔn)。偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)很慢,以避免其部件過度磨損,臨時(shí)偏航失準(zhǔn)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(fēng)速和湍流強(qiáng)度。然而,僅測量沿激光束的視線 （LOS）分量需要激光雷達(dá)系統(tǒng)探測轉(zhuǎn)子平面上多個(gè)位置的風(fēng)場,對傳入流場進(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;見圖1。

圖1

安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)上以測量偏航失準(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測量（a）其中一個(gè)光束的視場中的尾流會(huì)以與失準(zhǔn)流類似的方式影響LOS測量值（b）從激光雷達(dá)測量值中無法區(qū)分這兩種情況。

為了從機(jī)艙式激光雷達(dá)測量值中推導(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)研究了尾流對渦輪機(jī)偏航失準(zhǔn)度測量的影響。目的是探測導(dǎo)致偏置的失準(zhǔn)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(zhí)行渦輪機(jī)偏航對準(zhǔn)。

2 機(jī)艙式激光雷達(dá)的測量原理

三維 （3D）風(fēng)場的發(fā)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(shí)間上的位置。激光雷達(dá)系統(tǒng)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(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 尾流探測算法

尾流探測算法基于以下兩個(gè)原理:

1.在風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi),產(chǎn)生了長度尺度小于周圍流動(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。

通過模擬,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(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,但一些研究也研究湍流曲線和應(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。垂直黑線指示上游Nordtank渦輪機(jī)的位置?？梢钥吹轿擦鲗@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)的情況下測量紅色光譜,而藍(lán)色光譜受到尾流的影響。對于藍(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)對光譜進(jìn)行平均。

如果渦輪機(jī)以對應(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、周圍流動(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。所識別的尾流情況導(dǎo)致偏置。僅對無尾流數(shù)據(jù)執(zhí)行線擬合。因此,我們建議使用來自聲波風(fēng)速計(jì)的風(fēng)向測量值來獲得探測參數(shù)△TILOS與來自激光雷達(dá)和聲波風(fēng)速計(jì)的風(fēng)向測量中的偏差之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。在轉(zhuǎn)子右側(cè)探測到的半尾流情況顯示出持續(xù)的負(fù)△TILOS,反之亦然。所識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)之間的差與探測參數(shù)△TILOS的關(guān)系。僅示出了其中已經(jīng)識別了尾流的觀測。線擬合表明數(shù)據(jù)與線性回歸模型很好地?cái)M合。已經(jīng)將線性線擬合到數(shù)據(jù)上,這表明數(shù)據(jù)近似地遵循線性關(guān)系。導(dǎo)出的公式如下:1.39△TILOS+0.13°。這個(gè)公式現(xiàn)在可以用于通過受尾流影響的激光雷達(dá)來校正失準(zhǔn)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(zhǔn)度的較大偏差的失準(zhǔn)度估計(jì)值現(xiàn)在處于無尾流觀測的范圍內(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。受尾流影響的觀測結(jié)果以藍(lán)色示出,而校正后的測量值以紅色示出。

最后,將失準(zhǔn)度測量值的概述與由在氣象桅桿處的聲波風(fēng)速計(jì)測量的失準(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)和聲波測量值都遵循類似的趨勢。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)識別和校正了尾流對激光雷達(dá)測量值的影響。可以觀測到來自聲波風(fēng)速計(jì)的稍微較低的風(fēng)速測量值,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)大的測量體積上執(zhí)行測量,高頻湍流波動(dòng)被衰減,并且在LOS速度信號中不可見,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(gè)或兩個(gè)光束的視場的尾流。

因此,我們已經(jīng)示出了如何減輕尾流對機(jī)艙式激光雷達(dá)測量值的有害影響。然而,為了進(jìn)行校正,必須利用來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度尺度的湍流。在本實(shí)驗(yàn)中,1min的平均光譜足以探測到尾流誘導(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)致增加的信號噪聲,并且可以對多普勒頻譜變化的估計(jì)值產(chǎn)生影響。

實(shí)驗(yàn)期間的周圍湍流強(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圍流區(qū)別開來。在具有較高周圍湍流條件的地點(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)對多普勒頻譜的寬度有貢獻(xiàn)。