基于激光雷達(dá)測風(fēng)儀的復(fù)雜地形風(fēng)電機(jī)組自由流風(fēng)速測試方法研究

張偉，雷陽，杜成榮

（1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030；2.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，杭州 310026）

基于激光雷達(dá)測風(fēng)儀的復(fù)雜地形風(fēng)電機(jī)組自由流風(fēng)速測試方法研究

張偉1，雷陽1，杜成榮2

（1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030；2.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，杭州 310026）

自由流風(fēng)速是風(fēng)電機(jī)組功率曲線評估、出質(zhì)保驗(yàn)收和后期健康運(yùn)行等環(huán)節(jié)中的重要參數(shù)。傳統(tǒng)方法是利用測風(fēng)塔進(jìn)行測試，存在測試周期長、測試成本高和施工難度大等缺點(diǎn)，特別在復(fù)雜地形中無法進(jìn)行有效的測試。參考IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)，利用測量精度高、測量范圍廣和安裝方便的激光雷達(dá)測風(fēng)儀制定一套適合復(fù)雜地形風(fēng)電機(jī)組自由流風(fēng)速的測試方法。利用機(jī)載式雷達(dá)測風(fēng)儀對復(fù)雜地形自由流風(fēng)速進(jìn)行不同距離的測試，根據(jù)分象限的風(fēng)速變化趨勢可判斷自由流風(fēng)速，用地面式激光雷達(dá)測風(fēng)儀可驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。依托云南某風(fēng)電場的實(shí)際案例進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示本文所采用的測試方法是可行的。

自由流風(fēng)速；復(fù)雜地形；激光雷達(dá)測風(fēng)儀；風(fēng)電機(jī)組；測試方法

0 引言

目前，全球逐年變暖、環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種清潔能源，已被世界上大部分國家所重視，尤其是德國、美國和丹麥等發(fā)達(dá)國家都在大力發(fā)展［1-2］。我國風(fēng)力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展迅速。2014年，我國風(fēng)電行業(yè)繼續(xù)保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，全年風(fēng)電新裝機(jī)容量19.81 GW，創(chuàng)歷史新高；2014年我國風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)96.37GW，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的7%，占全球風(fēng)電裝機(jī)的27%［3］。風(fēng)電飛快發(fā)展的同時，各類問題也逐步凸顯。機(jī)組的實(shí)際出力性能與理論設(shè)計(jì)存在一定差距，而評估風(fēng)電機(jī)組出力性能的最有效方法是對機(jī)組的功率曲線進(jìn)行測試、分析。

風(fēng)電機(jī)組功率曲線的測試是機(jī)組型式認(rèn)證中極為重要的環(huán)節(jié)；功率曲線測試在機(jī)組性能評估、投產(chǎn)驗(yàn)收、出質(zhì)保驗(yàn)收和后期健康運(yùn)行等方面均扮演著重要角色［4-5］。功率曲線測試包含風(fēng)速、功率和空氣密度等的測試，測試的關(guān)鍵在于如何精準(zhǔn)地對自由流風(fēng)速進(jìn)行測試，核心在于如何解決復(fù)雜地形中自由流風(fēng)速的測試問題。

目前，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對風(fēng)電機(jī)組自由流風(fēng)速測試的通行方法是依據(jù)IEC 61400-12-1—2015［4］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并利用測風(fēng)塔進(jìn)行測試［6-7］。利用測風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組自由流風(fēng)速測試存在以下問題：（1）采用風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)的測風(fēng)塔測量精度低，不滿足更高規(guī)格的測試要求；（2）測風(fēng)塔建造速度慢導(dǎo)致測試周期長；（3）測風(fēng)塔一旦建好，不易移動，導(dǎo)致使用效率低；（4）當(dāng)?shù)匦螐?fù)雜時，測風(fēng)塔的施工難度大；（5）多數(shù)復(fù)雜地形不滿足IEC 61400-12-1—2015等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)行地形標(biāo)定；地形標(biāo)定時需進(jìn)行機(jī)組移位，項(xiàng)目實(shí)施難度大。故制定一套測試精度高、測試周期短、測試范圍廣、能適合復(fù)雜地形的自由流風(fēng)速測試方法顯得格外重要。

1 自由流風(fēng)速的測試方法

1.1 基于IEC標(biāo)準(zhǔn)的自由流風(fēng)速測試方法

通常，自由流風(fēng)速指的是自然條件下未被干擾的空氣流動速度。針對風(fēng)電機(jī)組功率曲線中自由流風(fēng)速難以直接測試的問題，國外編寫了IEC 61400-12-1—2015等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其基本過程是：（1）對測試場地進(jìn)行評估并處理；（2）扇區(qū)排除并利用測風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)速測量；（3）數(shù)據(jù)采集、處理，通過計(jì)算、分析得出相關(guān)結(jié)果。已投運(yùn)的平坦地形風(fēng)電場的測試條件符合IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)，但多數(shù)復(fù)雜地形風(fēng)電場的測試條件不滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)。若地形不滿足要求，則被測風(fēng)電機(jī)組需進(jìn)行移位處理，在實(shí)際應(yīng)用中較難開展測試、評估工作。

影響自由流風(fēng)速測試的關(guān)鍵因素有：（1）地形、地貌的影響。風(fēng)電機(jī)組周圍的地形、地貌存在差異，不滿足IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)。（2）障礙物、其他風(fēng)電機(jī)組對測試的影響。測試場地所處的環(huán)境一般較為復(fù)雜，各類障礙物或風(fēng)電機(jī)組均會使測試存在不同程度的誤差。（3）測試數(shù)據(jù)的采集和

處理存在一定的誤差。

1.2 復(fù)雜地形自由流風(fēng)速的測試方法

針對自由流風(fēng)速在復(fù)雜地形中難以測試的問題，本文依據(jù)IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)，利用激光雷達(dá)測風(fēng)儀對風(fēng)電機(jī)組自由流風(fēng)速進(jìn)行測試，可有效解決問題。

1.2.1 機(jī)組選擇和地形評估

被測機(jī)組選取原則有：（1）在風(fēng)場邊緣主風(fēng)向上風(fēng)向的位置；（2）被測機(jī)組在測試期間故障率較少；（3）葉片不應(yīng)有砂眼等缺陷；（4）風(fēng)電機(jī)組其他部件完好，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等。

被測機(jī)組所處的地形變化可能會引起氣流畸變，故需對測試現(xiàn)場進(jìn)行評估。具體做法是利用風(fēng)電場測繪的地形圖，依據(jù)IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)附錄的要求進(jìn)行地形評估。

1.2.2 激光雷達(dá)測風(fēng)儀

激光雷達(dá)測風(fēng)儀［8-9］是基于光的多普勒頻移原理進(jìn)行風(fēng)速測量，可全方位精準(zhǔn)測量風(fēng)速（可測量風(fēng)輪等效風(fēng)速）、風(fēng)向、大氣溫度、大氣壓力和相對濕度等多元信息。激光雷達(dá)測風(fēng)儀一般分為地面式和機(jī)載式2種，地面式可測量不同高度的風(fēng)速，機(jī)載式可測量不同距離的風(fēng)速，激光雷達(dá)測風(fēng)儀主要參數(shù)見表1。

表1 激光雷達(dá)測風(fēng)儀的主要參數(shù)［10］

1.2.3 數(shù)據(jù)采集和處理

激光雷達(dá)測風(fēng)儀測試數(shù)據(jù)可通過設(shè)定的郵箱進(jìn)行收集，收集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時應(yīng)剔除以下數(shù)據(jù)：（1）風(fēng)速以外的其他外部條件超出風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行范圍；（2）因故障導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)；（3）在試驗(yàn)中或維護(hù)運(yùn)行中人工停機(jī)；（4）試驗(yàn)儀器故障或降級；（5）風(fēng)向在場地標(biāo)定有效扇區(qū)之外；（6）機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀受葉輪旋轉(zhuǎn)影響的數(shù)據(jù)。

本文參考IEC 61400-12-1—2015相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用地面式激光雷達(dá)測風(fēng)儀和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀進(jìn)行不同高度和不同距離風(fēng)速的測量，并依托實(shí)際案例經(jīng)過相關(guān)性分析、對比分析以及分象限分析等制定一套適合復(fù)雜地形中自由流風(fēng)速的測試方法。

2 試驗(yàn)

2.1 測試機(jī)組選擇和場地評估

本次復(fù)雜地形自由流風(fēng)速測試的試驗(yàn)場區(qū)位于云南省蒙自市某風(fēng)電場，該風(fēng)電場場區(qū)為一片高臺地，臺地以西較為低矮開闊；場區(qū)內(nèi)生長的植物以低矮灌木、草類、蕨類植物為主；海拔1 980～2 300m；風(fēng)場主風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。根據(jù)第1.2.1節(jié)初步選取#26風(fēng)電機(jī)組為被測機(jī)組。被測風(fēng)電機(jī)組為1.5 MW、3葉片、水平軸、上風(fēng)向、變速、變槳雙饋型，其主要參數(shù)見表2。被測機(jī)組周圍環(huán)境地形如圖1所示。

表2 風(fēng)電機(jī)組的主要參數(shù)

圖1 被測機(jī)組周圍環(huán)境地形

評估計(jì)算方法參考IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)計(jì)算，地形不符合IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，屬于復(fù)雜地形；通過計(jì)算和現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，#26風(fēng)電機(jī)組285°～320°方向地形較為平坦，初步認(rèn)為該方向的風(fēng)速適合本次測試。

2.2 激光雷達(dá)測風(fēng)儀安裝

本次利用地面式和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀進(jìn)行自由流風(fēng)速的測試，地面式和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀現(xiàn)場布置如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)測風(fēng)儀現(xiàn)場布置

將地面式激光雷達(dá)測風(fēng)儀放置于#26風(fēng)電機(jī)組西北303°，距離風(fēng)電機(jī)組2d（164m）距離處；設(shè)置測量高度為10，24，40，55，65（輪轂高度），80，90，106，120m。將機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀安裝于#26風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙上，距離機(jī)艙距離1.5m，距離葉輪中心5 m；測量距離為10，45，82，123，164（2d），185，225，246m。基于地面式和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀的測試示意圖如圖3所示。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理

數(shù)據(jù)采集時間為2015-04-02—07-01，激光雷達(dá)測風(fēng)儀采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時保存至激光雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部，通過專業(yè)軟件可下載及采集。

數(shù)據(jù)采集后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除規(guī)則見第1.2.3節(jié)；剔除數(shù)據(jù)后選取風(fēng)向在285°～320°內(nèi)的數(shù)據(jù)即為試驗(yàn)所測的合格數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 基于地面式激光雷達(dá)測風(fēng)儀風(fēng)速分析

地面式激光雷達(dá)測風(fēng)儀的試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖4。將地面式激光雷達(dá)測風(fēng)儀所測不同高度層的風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，不同高度層風(fēng)速的相關(guān)性較好，隨著測量高度增大，風(fēng)速也隨之增大。

圖3 地面式和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀測試示意

圖4 地面式激光雷達(dá)測風(fēng)儀所測不同高度層風(fēng)速的日變化趨勢

表3 不同高度層的平均風(fēng)速

表4 不同高度層風(fēng)速的相關(guān)性系數(shù)值

3.2 基于機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀風(fēng)速分析

機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀的試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖5。將機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀所測不同距離層的風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表6。

由表6可知，不同距離層風(fēng)速的相關(guān)性較好，機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀距離#26風(fēng)電機(jī)組123～246m內(nèi)風(fēng)速相差非常小，僅0.02m／s，當(dāng)距離在1d以內(nèi)時，隨著距離的縮近，風(fēng)速衰減的程度增高。

3.3 測試場地自由流風(fēng)速的確定

由表4和表6可知，地面式和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀所測不同高度或不同距離風(fēng)速的相關(guān)性R2值均大于0.95，相關(guān)性較好，由此認(rèn)為本次測試數(shù)據(jù)是可信的。

由表5可知，風(fēng)吹向機(jī)組時，隨著距離的縮減，風(fēng)速呈不變到衰減的趨勢；由于#26機(jī)組該方向的地形比較平坦，風(fēng)速衰減可能是受風(fēng)輪的影響，故可認(rèn)為2d（164m）處的風(fēng)速為#26機(jī)組的自由流風(fēng)速。由表3和表5可知，地面式激光雷達(dá)測風(fēng)儀距離#26風(fēng)電機(jī)組2d、高度為65m輪轂高度的風(fēng)速與機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀所測相同點(diǎn)位的風(fēng)速差異較小，僅為0.01m／s，驗(yàn)證了地面式和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀的測量精度。

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可信程度，將地面式和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀所測距離#26風(fēng)電機(jī)組164m（2d），65m輪轂高度的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖6所示。

在圖6中，地面式和機(jī)載式測風(fēng)儀風(fēng)速相關(guān)性R2值為0.98，相關(guān)性好。驗(yàn)證了地面式和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀在方向285°～320°上，距離#26風(fēng)電機(jī)組164m（2d），65m輪轂高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)可信。

由以上分析可知，認(rèn)為在方向285°～320°上，距離#26風(fēng)電機(jī)組164m（2d），65m輪轂高度的風(fēng)速即為#26風(fēng)電機(jī)組的自由流風(fēng)速。

圖5 機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀所測不同距離風(fēng)速的日變化趨勢

圖6 地面式和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀風(fēng)速相關(guān)性

表5 不同距離層的平均風(fēng)速

表6 不同距離層風(fēng)速的相關(guān)性系數(shù)值

綜上所述，使用機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀進(jìn)行自由流風(fēng)速測試，通過合理測試距離的設(shè)置，根據(jù)風(fēng)吹向機(jī)組時隨著距離的縮減，風(fēng)速呈增大或不變到衰減的趨勢，可初步判定風(fēng)速變化所處轉(zhuǎn)折點(diǎn)的風(fēng)速即為自由流風(fēng)速；利用地面式激光雷達(dá)測風(fēng)儀可驗(yàn)證該點(diǎn)風(fēng)速是否為自由流風(fēng)速。故利用激光雷達(dá)測風(fēng)儀參考IEC 61400-12-1—2015等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)雜地形自由流風(fēng)速的測試方法是可行的。

4 結(jié)論

利用測風(fēng)塔并依據(jù)IEC 61400-12-1—2015等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)方法進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組自由流風(fēng)速測試，存在測試周期長、測量精度一般、推行難度大等問題，針對該情況提出了基于激光雷達(dá)測風(fēng)儀復(fù)雜地形下風(fēng)電機(jī)組自由流風(fēng)速的測試方法。依托云南某風(fēng)電場通過場地評估進(jìn)行象限選擇，利用地面式和機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀分別測量不同高度和不同距離處的風(fēng)速，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和處理并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、對比分析，分象限、分不同高度、不同距離進(jìn)行分析，最后認(rèn)為在方向285°～320°上，距離#26風(fēng)電機(jī)組164m（2d），65m輪轂高度的風(fēng)速即為#26風(fēng)電機(jī)組的自由流風(fēng)速。

雖然IEC 61400-12-1—2015等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未提出采用激光雷達(dá)測風(fēng)儀進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率曲線或自由流風(fēng)速的測試，但是通過本文的試驗(yàn)證明：激光雷達(dá)測風(fēng)儀技術(shù)可用于風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜地形自由流風(fēng)速的測試。本文所述復(fù)雜地形自由流風(fēng)速的判定方法是采用機(jī)載式激光雷達(dá)測風(fēng)儀進(jìn)行自由流風(fēng)速測試，通過設(shè)置合理的測試距離，根據(jù)風(fēng)吹向機(jī)組時隨著距離的縮減，風(fēng)速呈增大或不變到衰減的趨勢，可初步判定風(fēng)速變化所處轉(zhuǎn)折點(diǎn)的風(fēng)速即為自由流風(fēng)速；利用地面式激光雷達(dá)測風(fēng)儀驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。利用基于激光雷達(dá)測風(fēng)儀風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜地形自由流風(fēng)速的測試方法，可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對自由流風(fēng)速的測試，不僅測試精度高、測試范圍廣、測試周期短、測試費(fèi)用少，而且操作方便，可適用于復(fù)雜地形的測試，對促進(jìn)我國風(fēng)電行業(yè)性能評估和測試技術(shù)的進(jìn)步具有積極意義。

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（本文責(zé)編：白銀雷）

TM 614

A

1674-1951（2016）12-0062-05

張偉（1981—），男，山東濟(jì)寧人，工程師，工學(xué)碩士，從事風(fēng)電場設(shè)計(jì)、風(fēng)資源分析、大數(shù)據(jù)分析、故障診斷技術(shù)等領(lǐng)域的研究工作（E-mail：wei-zhang＠chder.com）。

2016-09-08；

2016-11-30