基于激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀的MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組偏航優(yōu)化控制方法

邵國(guó)策

摘要：激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀（lidar anemometer，下文簡(jiǎn)稱 Lidar）不僅在風(fēng)能資源測(cè)量中顯現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)，激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)的不斷發(fā)展也為風(fēng)電機(jī)組的智能化提供了更廣闊的空間。將 Lidar應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組，進(jìn)行風(fēng)況的多參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量和機(jī)組優(yōu)化控制的研究。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀;風(fēng)電機(jī)組;偏航優(yōu)化;控制方法

前言

為了能通過(guò)短時(shí)安裝激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀對(duì)傳統(tǒng)的風(fēng)向標(biāo)測(cè)得偏航誤差進(jìn)行修正，提高風(fēng)電機(jī)組的對(duì)風(fēng)精度，根據(jù)激光雷達(dá)測(cè) 風(fēng)儀的風(fēng)向檢測(cè)原理和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)了葉輪前方風(fēng)向變化的規(guī)律，確定了要檢測(cè)到不受機(jī)組干擾的風(fēng)向的最佳檢 測(cè)距離和檢測(cè)光束的錐角;經(jīng)過(guò)不同風(fēng)速段的偏航誤差特點(diǎn)分析，采用了分高、低兩個(gè)風(fēng)速段，用最小二乘法去擬合從本地 風(fēng)向標(biāo)到激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀的偏航誤差傳遞函數(shù)的方法，并設(shè)計(jì)了偏航誤差交替校正控制策略。

1、項(xiàng)目概述

選取3號(hào)機(jī)組為測(cè)試機(jī)組，在主導(dǎo)風(fēng)向上地勢(shì)相對(duì)平坦，且沒(méi)有上游風(fēng)機(jī)的尾流影響。機(jī)組額定功率 2500kW，葉輪直徑為 121m，額定風(fēng)速 10m/s（安裝地空氣密度下）。機(jī)組上安裝了一臺(tái)四光束激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)儀，可以同時(shí)采集前方50-200米十個(gè)不同距離的風(fēng)況信息。因?yàn)樵陲L(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組的效率、載荷與風(fēng)向無(wú)關(guān)，影響機(jī)組性能的是偏航對(duì)風(fēng)的誤差。機(jī)艙上安裝的測(cè)風(fēng)儀，直接檢測(cè)到的是機(jī)組的偏航誤差，即測(cè)風(fēng)儀參考零位線與風(fēng)向的夾角。

2、檢測(cè)原理

Lidar是基于對(duì)左右兩側(cè)光束方向檢測(cè)位置處氣流流速的大小，進(jìn)行偏航誤差計(jì)算的。但是，葉輪沒(méi)對(duì)正風(fēng)向、兩個(gè)檢測(cè)位置的實(shí)際風(fēng)速不同這兩個(gè)因素都會(huì)導(dǎo)致Vlos1和Vlos2的大小有差異。在后期的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，會(huì)一起影響機(jī)組偏航誤差的計(jì)算。所以，Lidar不能有效區(qū)分機(jī)組的實(shí)際偏航誤差和風(fēng)速的水平切變。在上游地表粗糙度比較大，或者上游機(jī)組尾流影響嚴(yán)重的扇區(qū)，用Lidar的偏航誤差檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行偏航控制，可能會(huì)引入不確定性誤差。本項(xiàng)目參考了風(fēng)電機(jī)組功率特性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC61400-12-1：2017[10]的規(guī)定，只有符合安裝測(cè)風(fēng)塔條件的扇區(qū)，才可以作為進(jìn)行偏航校正有效數(shù)據(jù)采集的扇區(qū)。

3、偏航誤差與傳遞函數(shù)分析

3.1處理數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分別取自SCADA系統(tǒng)記錄的機(jī)組本地測(cè)風(fēng)儀測(cè)得的 10min 偏航誤差和 Lidar 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的10min偏航誤差。無(wú)效測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)嚴(yán)重影響偏航誤差的統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而影響擬合的傳遞函數(shù)的有效性，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查2個(gè)步驟。數(shù)據(jù)篩選：剔除風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)在“not active”狀態(tài)下的數(shù)據(jù);剔除在有效測(cè)量扇區(qū)之外的數(shù)據(jù);剔除風(fēng)速低于切入風(fēng)速和高于額定風(fēng)速的數(shù)據(jù);剔除絕對(duì)值大于30°的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查：確保測(cè)試信號(hào)在正常范圍內(nèi)且可利用;確保傳感器正常運(yùn)行;確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常運(yùn)行;激光測(cè)風(fēng)儀測(cè)量數(shù)據(jù)有效率大于0.3。由于風(fēng)向的畸變受風(fēng)速影響較大，采用風(fēng)速分區(qū)擬合的方式，分3～6.5m/s，6.5-10m/s兩個(gè)區(qū)段，從切入風(fēng)速（3m/s）到額定風(fēng)速（10m/s）分區(qū)擬合傳遞函數(shù)。剔除所有無(wú)效數(shù)據(jù)后，保證在擬合的風(fēng)速區(qū)段內(nèi)，在[-10°～10°]的偏航誤差范圍內(nèi)，每 0.5°區(qū)間至少有 5 個(gè)以上有效數(shù)據(jù)，以保證最終的擬合精度。

3.2分析偏航誤差與傳遞函數(shù)

測(cè)試期間本地風(fēng)向標(biāo)的10min偏航誤差測(cè)量結(jié)果平均值為0.11°，均方差為5.39°，說(shuō)明機(jī)組在控制系統(tǒng)作用下能進(jìn)行良好的風(fēng)向跟蹤，風(fēng)向標(biāo)安裝的精度和機(jī)組的偏航控制策略滿足要求。而Lidar的偏航誤差檢測(cè)結(jié)果均值為2.13°，均方差為4.92°。這主要是因?yàn)闇y(cè)試期間機(jī)組以本地風(fēng)向標(biāo)的檢測(cè)輸入作為偏航控制偏差，沒(méi)有追蹤Lidar測(cè)得的風(fēng)向。二者平均值的偏差2.02°，即為本地測(cè)風(fēng)儀受葉輪旋轉(zhuǎn)的干擾而產(chǎn)生的測(cè)量偏差。

4、結(jié)果

利用中央監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中“偏航電機(jī)工作時(shí)間”統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用校正控制之前2019年5月16日-6月15日偏航電機(jī)累計(jì)工作時(shí)間為38.3個(gè)小時(shí);采用偏航校正控制之后2019年8月1日-8月30日偏航電機(jī)累計(jì)工作時(shí)間為32.5個(gè)小時(shí)。偏航電機(jī)的動(dòng)作率由5.32%，降低為4.51%。這說(shuō)明偏航系統(tǒng)的動(dòng)作頻率明顯降低，這將有助于降低偏航系統(tǒng)的疲勞載荷，提高穩(wěn)定性。

利用中央監(jiān)控系統(tǒng)在上述校正前一個(gè)月和校正后一個(gè)月的10min數(shù)據(jù)，做出機(jī)組網(wǎng)側(cè)功率的散點(diǎn)圖，并求出每0.5m/s風(fēng)速區(qū)間的功率均值。從散點(diǎn)圖中可以看出：采取校正措施后，在相同風(fēng)速下，網(wǎng)側(cè)功率10min均值可以達(dá)到一個(gè)更高的輸出。校正后的功率曲線要優(yōu)于采取校正措施措施之前。根據(jù)功率曲線進(jìn)行年發(fā)電量計(jì)算，結(jié)果表明：本測(cè)試項(xiàng)目采取交替校正的控制策略后年發(fā)電量可以提高1.87%。

5、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Lidar的風(fēng)向測(cè)量原理進(jìn)行分析，得出了應(yīng)用Lidar 的檢測(cè)結(jié)果直接或間接進(jìn)行偏航誤差校正的局限性，提出只有在機(jī)組上游沒(méi)有明顯尾流，地表粗糙度比較小的情況下，才能得到高精度的檢測(cè)結(jié)果。地形和上游風(fēng)機(jī)尾流對(duì)Lidar風(fēng)向檢測(cè)結(jié)果的影響需要進(jìn)一步研究。通過(guò)對(duì)葉輪前方的風(fēng)向變化規(guī)律進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)要檢測(cè)到不受干擾的自由流的風(fēng)向進(jìn)行偏航誤差控制，測(cè)試點(diǎn)距葉輪的距離應(yīng)大于1.5D，徑向位置在3R/4～R之間為宜。設(shè)計(jì)了一套擬合偏航誤差傳遞函數(shù)的方法和偏航誤差校正交替控制策略。該方案只需經(jīng)過(guò)短期安裝Lidar，得到足夠的測(cè)試數(shù)據(jù)，擬合出可信度較高的偏航誤差傳遞函數(shù)，應(yīng)用到設(shè)計(jì)出的控制策略中即可完成，無(wú)需增加硬件成本。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，該方案可以降低機(jī)組偏航動(dòng)作的頻率，有助于提高機(jī)組的發(fā)電量，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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