風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)可用性評(píng)價(jià)

李穎， 雷熠， 莫爾兵， 王其君， 蘭杰

（東方電氣風(fēng)電有限公司， 四川德陽， 618000）

1 激光雷達(dá)簡介

近年來， 隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展， 其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用程度得到廣泛提高， 包括航天航空、汽車行業(yè)、 氣象領(lǐng)域、 災(zāi)難預(yù)警、 城市交通安全等等。 在風(fēng)能行業(yè)， 激光雷達(dá)在陸上和海上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 激光測風(fēng)雷達(dá)主要運(yùn)用在風(fēng)場投資前期的風(fēng)資源勘測階段、 進(jìn)行單機(jī)或風(fēng)場級(jí)控制的運(yùn)營階段、 以及風(fēng)機(jī)全生命周期內(nèi)的功率特性測試等等。 然而， 由于激光雷達(dá)測風(fēng)技術(shù)的數(shù)據(jù)有效性、 完整性以及成本較高等問題，并沒有得到風(fēng)電行業(yè)的普遍認(rèn)可。

激光雷達(dá)是通過發(fā)出激光光束并檢測碰到空氣流場中的微?；蛘邭馊苣z產(chǎn)生反向散射信號(hào)的一種激光多普勒效應(yīng)風(fēng)速計(jì)。 根據(jù)多普勒效應(yīng)，在發(fā)出和返回的光束方向上， 給出了反射粒子速度分量的直接測量， 而這些測量信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生變化。 激光雷達(dá)根據(jù)發(fā)出信號(hào)的類型又分為脈沖激光雷達(dá)和連續(xù)波激光雷達(dá)。 激光雷達(dá)測風(fēng)原理存在一些前提性的假設(shè)， 而這些假設(shè)往往就是導(dǎo)致激光雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)完整性不高、 有效性不高的原因。 這些假設(shè)包括測量點(diǎn)分布空間內(nèi)流場速度均勻， 空間中氣溶膠顆粒均勻分布， 且空氣流動(dòng)主導(dǎo)粒子運(yùn)動(dòng)， 其運(yùn)動(dòng)速度為空氣流動(dòng)速度。因此， 空氣中氣溶膠顆粒的含量、 風(fēng)場的天氣狀況會(huì)對(duì)激光測風(fēng)雷達(dá)的測量造成較大影響。

2 激光雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

選取1 臺(tái)安裝機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)機(jī)，進(jìn)行長期數(shù)據(jù)采集和分析。 測試風(fēng)機(jī)位于內(nèi)蒙古風(fēng)場， 風(fēng)場地貌屬于壩上高平原地區(qū)的丘陵地段，測試時(shí)間為3 個(gè)月。 雷達(dá)選用某機(jī)艙式激光雷達(dá)，光束結(jié)構(gòu)為4 光束、 采樣頻率為4 Hz。 此機(jī)艙式激光雷達(dá)提供記錄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙位置射出前方50~200 m 共10 個(gè)測量距離的風(fēng)場信息數(shù)據(jù)。

2.1 激光雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)有效性分析

徑向風(fēng)速表示空間風(fēng)矢量在雷達(dá)4 個(gè)激光束的投影風(fēng)速， 是雷達(dá)的原始測量數(shù)據(jù)。 輪轂高度處合成風(fēng)速為4 個(gè)激光束在某個(gè)距離點(diǎn)測得風(fēng)速信息的合成風(fēng)速， 因此， 輪轂高度處合成風(fēng)速的有效率能夠反應(yīng)4 光束同時(shí)被遮擋的情況和信噪比隨距離變化的情況， 也能反應(yīng)激光雷達(dá)測量風(fēng)速數(shù)據(jù)的可用程度。 定義nνhub為輪轂高度處合成風(fēng)速的有效數(shù)據(jù)（排除采集周期內(nèi)NaN 的數(shù)據(jù)）， n為采集數(shù)據(jù)的總數(shù)。 （影響激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可用性的任何條件不包括在內(nèi)： 電源中斷、 自然行為導(dǎo)致的系統(tǒng)損壞、 通訊中斷、 維護(hù)等等。 ）則激光雷達(dá)測量風(fēng)速數(shù)據(jù)的有效率計(jì)算公式為：

數(shù)據(jù)可利用率定義為在整個(gè)時(shí)間戳范圍內(nèi)的可用的合理性數(shù)據(jù)nνhub_R（排除采集周期內(nèi)偏差過大數(shù)據(jù)， 排除NaN 數(shù)據(jù)） 占有效數(shù)據(jù)的百分比。（影響激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可用性的任何條件不包括在內(nèi)： 電源中斷、 自然行為導(dǎo)致的系統(tǒng)損壞、 通訊中斷、 維護(hù)等等。 ）則激光雷達(dá)測量風(fēng)速數(shù)據(jù)的可利用率計(jì)算公式為：

通過對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性和可利用率計(jì)算， 如表1 所示， 說明激光雷達(dá)風(fēng)速信息的可利用率滿足需求， 但在整個(gè)觀測期內(nèi)的有效率不高， 超出可接受范圍， 不建議作為實(shí)時(shí)控制的輸入信息。

2.2 激光雷達(dá)測量不同距離的風(fēng)速風(fēng)向相關(guān)性分析

由于測試?yán)走_(dá)的測量范圍為50~200 m， 對(duì)相近測量距離的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 分析雷達(dá)自身數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性， 從而確認(rèn)雷達(dá)本身數(shù)據(jù)的可靠性和正確性。 測試數(shù)據(jù)選取2019 年 12 月至2020 年 2 月共3 個(gè)月的數(shù)據(jù)， 在保證數(shù)據(jù)為相同時(shí)間段內(nèi)的滑動(dòng)平均值、 數(shù)據(jù)無時(shí)移的前提下， 篩選掉無數(shù)據(jù)和不合理數(shù)據(jù)， 進(jìn)行激光雷達(dá)射出距離分別為50 m、 60 m、 80 m、 100 m、 120 m、 140 m、 160 m、 180 m、 190 m、 200 m 共 10 個(gè)距離段兩兩相近距離（共9 個(gè)比較結(jié)果）的風(fēng)速/風(fēng)向時(shí)序?qū)Ρ群拖嚓P(guān)性分析。 相關(guān)性分析采用線性回歸算法模型進(jìn)行曲線擬合，并用最小二乘法求解損失函數(shù)的最小化問題，擬合程度的評(píng)估值用判定系數(shù)R2表示。

此線性回歸預(yù)測模型可定義為假設(shè)存在一條最佳擬合的直線方程： y=ax+b， 對(duì)于每一個(gè)樣本點(diǎn)Xi代入直線方程， 可得到預(yù)測值Y^i=aXi+b。 且樣本真實(shí)值Yi與預(yù)測值Y^i的距離要盡可能的小。則此問題就是最小化損失函數(shù)即可以定義為每一個(gè)樣本點(diǎn)和預(yù)測值的距離總和最小， 即：

式中n 為樣本數(shù)量。

通過此模型擬合方法將每個(gè)10 個(gè)距離分段數(shù)據(jù)共9 組對(duì)比結(jié)果計(jì)算得出的模型擬合函數(shù)和判定系數(shù)如表2~3 所示。

表2 10 min 平均風(fēng)速相關(guān)性分析表

表3 10 min 平均風(fēng)向相關(guān)性分析表

10 分鐘平均風(fēng)速/風(fēng)向時(shí)序圖不同距離進(jìn)行了對(duì)比。

對(duì)比數(shù)據(jù)分析顯示， 激光雷達(dá)測得不同距離處風(fēng)速/風(fēng)向的相關(guān)性程度高， 縱向說明了雷達(dá)設(shè)備本身測量數(shù)據(jù)的可靠性與真實(shí)性。 后續(xù)還需要將雷達(dá)數(shù)據(jù)與機(jī)艙風(fēng)速計(jì)、 機(jī)艙風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?確認(rèn)不同測量設(shè)備測量數(shù)據(jù)的相關(guān)程度。由于雷達(dá)不同距離相關(guān)性程度高， 只需要將距離風(fēng)輪面最近的50 m 雷達(dá)風(fēng)速數(shù)據(jù)與機(jī)艙風(fēng)速計(jì)、機(jī)艙風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行對(duì)比即可。

2.3 激光雷達(dá)測量風(fēng)速風(fēng)向與機(jī)艙風(fēng)速計(jì)風(fēng)向標(biāo)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

現(xiàn)階段， 單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測量風(fēng)速風(fēng)向，往往選取經(jīng)濟(jì)性高的機(jī)械式或超聲波風(fēng)速計(jì)。 那么機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)的測量數(shù)據(jù)需要跟同類產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?確認(rèn)其關(guān)聯(lián)程度，從而確認(rèn)雷達(dá)測得風(fēng)速風(fēng)向的真實(shí)性。 同樣地，選取相同時(shí)間段雷達(dá)數(shù)據(jù)與機(jī)艙風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集， 剔除掉無效數(shù)據(jù)， 采取線性回歸模型對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行分析可以得到風(fēng)速風(fēng)向時(shí)序圖對(duì)比和相關(guān)性分析圖， 如圖1~2 所示。

以上數(shù)據(jù)分析表明， 激光雷達(dá)與機(jī)艙風(fēng)速計(jì)測得風(fēng)速相關(guān)程度較高， 但激光雷達(dá)與風(fēng)向標(biāo)測得風(fēng)向數(shù)據(jù)相關(guān)程度較差，擬合程度只有0.525 2。

3 激光雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析

激光雷達(dá)根據(jù)安裝位置又可分為機(jī)艙式、 地面式。 根據(jù)不同的應(yīng)用場景， 選取不同類型的激光雷達(dá)。 比如， 地基式激光雷達(dá)可作為測風(fēng)塔的替代方案， 進(jìn)行微觀場址的風(fēng)資源評(píng)估。 而機(jī)艙式激光雷達(dá)可進(jìn)行單臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速預(yù)測， 進(jìn)行前饋控制、 尾流控制等。

3.1 單臺(tái)風(fēng)機(jī)的偏航誤差校正

單臺(tái)機(jī)組可以通過離線或在線的方式， 收集一段時(shí)間的數(shù)據(jù)量進(jìn)行單臺(tái)機(jī)組的偏航校正。 根據(jù)雷達(dá)測得的水平距離50 m 處的風(fēng)速和風(fēng)向分布關(guān)系， 分布圖如圖3 所示。

圖3 雷達(dá)測量風(fēng)速/風(fēng)向分布圖 （10 min 風(fēng)速）

根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向分布， 定義偏航角度誤差計(jì)算公式為：

式中Di為每個(gè)有效風(fēng)向，νi為每個(gè)有效風(fēng)速。

通過采集3 個(gè)月10 min 平均風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，可計(jì)算出該風(fēng)機(jī)的平均偏航角度誤差為+0.846 7°（雷達(dá)風(fēng)向數(shù)據(jù)以雷達(dá)射線方向左邊為正）。 此誤差通過一段時(shí)間數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)， 由修改主控參數(shù)實(shí)現(xiàn)。 此方法可以與設(shè)備定檢同步進(jìn)行， 間隔一段時(shí)間校正偏航誤差， 提高全風(fēng)場對(duì)風(fēng)精確度，從而提升機(jī)組的發(fā)電效率。

3.2 單臺(tái)風(fēng)機(jī)的功率曲線對(duì)比

采集1 個(gè)月的雷達(dá)風(fēng)速、 機(jī)艙風(fēng)速計(jì)風(fēng)速、有功功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 篩選掉無效數(shù)據(jù)的前提下， 通過對(duì)測試風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷達(dá)測得10 min平均風(fēng)速與機(jī)艙風(fēng)速計(jì)測得10 min 平均風(fēng)速進(jìn)行功率曲線對(duì)比數(shù)據(jù)， 可以看到， 在同等功率下，機(jī)艙風(fēng)速計(jì)統(tǒng)計(jì)的功率曲線比雷達(dá)統(tǒng)計(jì)的功率曲線有1 m/s 左右的過高估計(jì)， 如圖4 所示。 而在激光雷達(dá)風(fēng)速、 風(fēng)速計(jì)風(fēng)速的時(shí)序?qū)Ρ戎胁浑y看出，風(fēng)速計(jì)風(fēng)速時(shí)序圖略高于激光雷達(dá)測得風(fēng)速時(shí)序圖。 由此可見， 風(fēng)速計(jì)測得風(fēng)速無論作為秒級(jí)數(shù)據(jù)查看機(jī)組運(yùn)行曲線， 或者用作10 min 平均數(shù)據(jù)作為機(jī)組功率曲線統(tǒng)計(jì)， 過高的風(fēng)速估計(jì)會(huì)導(dǎo)致功率曲線過低。 而激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度方面優(yōu)勢(shì)較為明顯， 統(tǒng)計(jì)功率曲線更具優(yōu)勢(shì)。

圖4 風(fēng)速計(jì)與雷達(dá)測風(fēng)功率曲線對(duì)比圖

4 結(jié)論與展望

本文通過對(duì)機(jī)艙式測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度多角度的初步分析， 并對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用進(jìn)行舉例分析， 評(píng)價(jià)雷達(dá)在風(fēng)能行業(yè)的可用性程度。 就3 個(gè)月試驗(yàn)數(shù)據(jù)而言， 可得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)艙式激光雷達(dá)在測量范圍內(nèi)的相關(guān)程度較高， 風(fēng)速信息的判定系數(shù)高達(dá)0.99 以上， 風(fēng)向信息的判定系數(shù)>0.95， 不同距離的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度較高。

（2）激光雷達(dá)與機(jī)艙風(fēng)速計(jì)作對(duì)比， 從時(shí)序圖看， 機(jī)艙風(fēng)速計(jì)測量風(fēng)速普遍略高于激光雷達(dá)測量風(fēng)速， 從擬合曲線看， 風(fēng)速相關(guān)性較好， 判定系數(shù)為0.945 5。 但風(fēng)向數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度較差， 判定系數(shù)只有0.525 2。 可以看出， 輪轂高度處的來流風(fēng)向經(jīng)過風(fēng)輪面掃風(fēng)后， 已經(jīng)發(fā)生了較大改變。

（3）激光雷達(dá)測量風(fēng)速風(fēng)向的數(shù)據(jù)有效性、 完整性較低， 其中輪轂高度處合成風(fēng)速的有效率并未達(dá)到統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的可接受范圍， 而機(jī)艙風(fēng)速計(jì)的測量數(shù)據(jù)完整性高。 激光雷達(dá)測得風(fēng)速是風(fēng)輪面前方的風(fēng)速信息， 但由于風(fēng)輪遮擋和空氣氣溶膠顆粒不足等原因?qū)е吕走_(dá)測得風(fēng)速風(fēng)向存在無效數(shù)據(jù)。 因此， 雷達(dá)數(shù)據(jù)作為風(fēng)機(jī)單機(jī)控制的風(fēng)險(xiǎn)較大。 而機(jī)艙式風(fēng)速計(jì)測得風(fēng)速風(fēng)向?yàn)轱L(fēng)輪面后的尾流， 雖然數(shù)據(jù)完整性較高， 但精準(zhǔn)程度存在較大誤差， 并非實(shí)際風(fēng)輪面的來流風(fēng)速。

（4）根據(jù)實(shí)際雷達(dá)數(shù)據(jù)的應(yīng)用與雷達(dá)有效性相結(jié)合分析，雷達(dá)數(shù)據(jù)完整性程度不高， 不建議作為實(shí)時(shí)控制的測量信號(hào)。 但由于其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高， 對(duì)于有一定時(shí)間間隔的離線控制或數(shù)據(jù)分析具有一定指導(dǎo)意義。

綜上所述， 在風(fēng)能行業(yè)， 激光雷達(dá)具有測量范圍大、 運(yùn)用場景多、 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)， 但由于數(shù)據(jù)完整性、 有效性不高， 市場價(jià)格高、 設(shè)備壽命短等特點(diǎn)， 許多整機(jī)廠商認(rèn)為其設(shè)備作為風(fēng)機(jī)控制信號(hào)還需觀望。 但在科技高速發(fā)展的今天， 隨著產(chǎn)業(yè)配套的加速發(fā)展， 相信不久的將來，雷達(dá)測風(fēng)設(shè)備可以像車載雷達(dá)一樣， 成為風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)配置， 為智慧風(fēng)電做出必要的貢獻(xiàn)。