基于激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀的風(fēng)機(jī)功率曲線對(duì)比研究及應(yīng)用

雷陽，馬東，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(cè)風(fēng)儀的風(fēng)機(jī)功率曲線對(duì)比研究及應(yīng)用

雷陽1，馬東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）

通過激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀精準(zhǔn)、快速地測(cè)得不同型號(hào)風(fēng)機(jī)的功率曲線，對(duì)功率進(jìn)行標(biāo)幺化處理并參考IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功率曲線對(duì)比分析，從而確定較優(yōu)機(jī)型，為風(fēng)機(jī)性能評(píng)估和風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組選型提供參考。

激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀；風(fēng)機(jī)；功率曲線；標(biāo)幺化

0 引言

風(fēng)電是目前新能源開發(fā)中技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?；l(fā)展前景的發(fā)電方式之一［1］。功率曲線可多方面反映機(jī)組的特性，功率曲線測(cè)試是目前風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營商最為關(guān)注的一項(xiàng)環(huán)節(jié)［2］。

隨著世界各國風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的迅速增大，主流風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量越來越大，如何更合理地進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型成為目前國內(nèi)外研究人員日益重視的問題［3］。由于不同型號(hào)風(fēng)機(jī)的額定功率不盡相同，準(zhǔn)確、公平地進(jìn)行對(duì)比分析顯得尤為重要。

參考IEC 61400-12-1—2015［4］標(biāo)準(zhǔn)，利用地面式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀對(duì)不同型號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)行功率曲線測(cè)試，采用標(biāo)幺化方法對(duì)功率進(jìn)行處理，對(duì)比分析不同型號(hào)的風(fēng)機(jī)功率曲線，從而確定最優(yōu)機(jī)型，為風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組優(yōu)化選型提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 不同型號(hào)風(fēng)機(jī)功率曲線對(duì)比分析

1.1 基于IEC標(biāo)準(zhǔn)的功率曲線測(cè)試

IEC 61400-12-1—2015［4］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了風(fēng)機(jī)功率曲線的測(cè)試方法，基本流程包括：（1）前期準(zhǔn)備和測(cè)風(fēng)塔位置的選擇；（2）測(cè)量扇區(qū)的排除和測(cè)試場(chǎng)地的評(píng)估；（3）數(shù)據(jù)收集、篩選和修正；（4）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到功率曲線；（5）年發(fā)電量（AEP）估算。IEC是利用測(cè)風(fēng)塔對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行功率曲線測(cè)試的，但受各種原因的影響測(cè)風(fēng)塔無法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，本文利用激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀代替測(cè)風(fēng)塔，參考IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功率曲線測(cè)試，具有效率高、精度高、成本低等特點(diǎn)［1，5］。

1.2 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀

激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀利用光的多普勒頻移原理，通過測(cè)量光波反射在空氣中遇到隨著風(fēng)運(yùn)動(dòng)的氣溶膠粒子所產(chǎn)生的頻率變化得到風(fēng)速、風(fēng)向的信息，從而計(jì)算出相應(yīng)高度的矢量風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，具有測(cè)試精度高、測(cè)量范圍廣、可快速精準(zhǔn)地進(jìn)行功率曲線測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。本文測(cè)試采用的地面式激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀，其主要參數(shù)見表1。

表1 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀主要參數(shù)［6］

1.3 功率曲線的標(biāo)幺化處理

標(biāo)幺值是電力系統(tǒng)中常用的數(shù)值標(biāo)記方法，表示各物理量和參數(shù)的相對(duì)值，最大優(yōu)點(diǎn)是易于對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較。由于不同型號(hào)風(fēng)機(jī)的功率不盡相同，故較難進(jìn)行對(duì)比分析；若將不同型號(hào)風(fēng)機(jī)的功率進(jìn)行標(biāo)幺化處理，可非常直觀地進(jìn)行功率曲線對(duì)比分析。標(biāo)幺值的計(jì)算公式如下

式中：S為實(shí)際值；Sb為基準(zhǔn)值；S*為標(biāo)幺值。

1.4 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀應(yīng)用于不同型號(hào)風(fēng)機(jī)功率曲線的測(cè)試

測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)位于安徽省無為縣，該風(fēng)電場(chǎng)分為2期工程，共有2種不同型號(hào)的風(fēng)機(jī)。因二期增容工程的工作需要，需對(duì)一、二期風(fēng)機(jī)進(jìn)行功率曲線對(duì)比，為新建設(shè)的風(fēng)電工程風(fēng)機(jī)選型提供數(shù)據(jù)支撐。一期和二期風(fēng)機(jī)參數(shù)見表2。

表2 一期、二期風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

參考IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘，確定一期#15風(fēng)機(jī)、二期#22風(fēng)機(jī)為測(cè)試機(jī)組。將一臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀放置于#15風(fēng)機(jī)北360°，距離風(fēng)機(jī)2D1（222m，D1為#15風(fēng)機(jī)葉輪直徑）距離處；設(shè)置測(cè)量高度為#15風(fēng)機(jī)的輪轂高度。將另一臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀放置于#22風(fēng)機(jī)北351°，距離風(fēng)機(jī)2D2（220m，D2為#22風(fēng)機(jī)葉輪直徑）距離處；設(shè)置測(cè)量高度為#22風(fēng)機(jī)的輪轂高度。激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀現(xiàn)場(chǎng)布置圖

本次測(cè)試中激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀測(cè)試周期為2015年6月21日至8月25日，采樣率為10次／min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 一期風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)功率曲線

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一期、二期風(fēng)機(jī)所測(cè)得的湍流強(qiáng)度在時(shí)間維度上變化較大，為更精確地進(jìn)行對(duì)比，一期和二期風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所取湍流強(qiáng)度均為0.10～0.12。通過計(jì)算，可得到一期#15風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)功率數(shù)據(jù)，見表3。

2.2 二期風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)功率曲線

同樣按照上述方法得到二期#22風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)功率數(shù)據(jù)，見表4。

表3 一期#15風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)功率曲線

表4 二期#22風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)功率曲線

2.3 一期和二期風(fēng)機(jī)功率曲線對(duì)比

由于一期、二期風(fēng)機(jī)額定功率不同，本文將一期、二期風(fēng)機(jī)功率曲線中的功率進(jìn)行標(biāo)幺化處理，得到標(biāo)幺化后的功率值，見表5。

表5 #15，#22風(fēng)機(jī)功率標(biāo)幺值

將上表繪制成圖，如圖2所示。

圖2 #15，#22風(fēng)機(jī)功率標(biāo)幺值對(duì)比

由圖2可知，將功率標(biāo)幺化處理后，二期#22風(fēng)機(jī)在2～5m／s和10m／s以上風(fēng)速段的功率曲線與一期#15風(fēng)機(jī)功率曲線差異較?。?～10m／s風(fēng)速段內(nèi)，二期#22風(fēng)機(jī)功率曲線優(yōu)于一期#15風(fēng)機(jī)。由于本次測(cè)試的結(jié)果可以直觀地進(jìn)行對(duì)比，故不做AEP對(duì)比，AEP計(jì)算方法可參考IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

風(fēng)機(jī)功率曲線測(cè)試廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)性能評(píng)估、質(zhì)保結(jié)束前驗(yàn)收和健康運(yùn)行中，難點(diǎn)在于如何精準(zhǔn)地測(cè)量功率曲線并進(jìn)行不同型號(hào)風(fēng)機(jī)功率曲線的對(duì)比分析。

采用具有多普勒效應(yīng)的激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀并參考IEC 61400-12-1—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行功率曲線測(cè)試，將測(cè)試所得功率曲線進(jìn)行功率標(biāo)幺化處理，可非常直觀地進(jìn)行不同型號(hào)風(fēng)機(jī)功率曲線對(duì)比分析，可為風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組優(yōu)化選型提供數(shù)據(jù)支撐。

［1］尹子棟，付德義.激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀在風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試中的應(yīng)用［J］.可再生能源，2013，31（4）：100-102，106.

［2］張秋生.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線考核初探［J］.風(fēng)力發(fā)電，2004，20（3）：27-29.

［3］易雯嵐.風(fēng)電機(jī)組選型及風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2011.

［4］Wind turbines part 12-1：Power performancemeasurements of electricity producing wind turbines：IEC 61400-12-1—2015［S］.

［5］潘寧.基于激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀的風(fēng)電機(jī)組功率曲線測(cè)試方法研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2013，31（2）：112-115.

［6］馬東.激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀在風(fēng)電機(jī)組偏航誤差測(cè)試中的應(yīng)用研究［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2015（11）：5-7.

（本文責(zé)編：劉芳）

TM 315

B

1674-1951（2016）12-0070-03

雷陽（1989—），男，江西九江人，工程師，工學(xué)碩士，從事新能源檢測(cè)診斷技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、風(fēng)資源分析、振動(dòng)分析與故障診斷技術(shù)等方面的研究（E-mail：leiyangcn＠126.com

2016-09-08；

2016-11-03

）。