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?機艙式激光雷達在風機功率曲線測試中的應用與實例分析

2022-08-04 來源:《風能產業》作者:梁志 LeosphereSAS RobinCOTE 瀏覽數:107

為了驗證機艙式激光雷達對風場的測量性能,本項目通過將機艙式激光雷達和符合IEC標準的測風塔、地面激光雷達進行對比。機艙式激光雷達的測量精度較好:機艙式激光雷達與IEC測風塔線性擬合公式為:y=0.995x+0.0367,相關系數平方為0.9905;機艙式激光雷達與550米處地面激光雷達的擬合公式為:y=1.0005x-0.0843,相關系數平方為0.9843。線性擬合結果的斜率、截距、相關系數均較好,機艙式激光雷達用作風機功率曲線測試的精度是可以信賴的。機艙式激光雷達隨著風機偏航、實時對準風向,可以較好地

   引言

功率曲線測試,是一種較為客觀的評價風機性能的方法,是風機性能優化、風機研發測試等一系列研究工作的前提。近十幾年,中國風電行業保持了長時間、高速度的發展,主流風機的單機容量、葉輪直徑越來越大,根據IEC的功率曲線測量標準,要測量風機前方更遠距離的風速[1]。同時,越來越復雜的風電場現場,使得風機面對更為復雜的風速狀況,對風機功率曲線、風機性能評估提出了更高、更復雜的要求[2]。

常規功率曲線測量的周期較長,并且需要單獨建造測風塔,有時還會涉及到復雜的場地標定。新形勢下,功率曲線測試的發展方向是:準確可靠、高效快速、高性價比、可識別復雜風場狀況。近年來,激光雷達(LightDetection andRanging,簡稱LiDAR),發展迅速,已經成為風機功率曲線測試的重要方式,得到了風電行業的認可。激光雷達,是利用激光來進行探測的遙感設備,利用氣溶膠的多普勒效應進行風場測量。測風激光雷達采用可見光或近紅外波段進行主動遙感測量,具有下列優點:高時空分辨率、強抗干擾能力、準確的測量精度、可全天不間斷工作。

隨著激光雷達在功率曲線測試方面的應用,國際電工委員IEC也在不斷更新和發布更多的測試標準。在2012年,IEC64100-12-1標準,增加了地面遙感測風設備進行功率曲線測試的規定[3]。IEC64100-50-3標準也計劃在2021年發布,針對機艙式激光雷達功率曲線測試明確了要求。激光雷達,越來越成為風電行業在功率曲線測量方面的選擇。

1.項目介紹

為了驗證機艙式激光雷達對風場的測量性能,本項目通過將機艙式激光雷達和IEC標準的測風塔、地面激光雷達進行對比。測試風機是一臺8MW風機,葉輪直徑167米,輪轂高度120米。測量場地,選在在丹麥技術大學DTU的Østerild測試場地,測量時間從2019年6月至2020年2月,一共進行了9個月的測量。項目的設備分布圖、詳細信息,詳見圖1和表1.

在IEC61400-12-1中,功率曲線測試需要測量風機前2D到4D處的風速,推薦測量2.5D[3]。測量設備布置如下:1)Leosphere的WindCubeNacelle機艙式激光雷達(之前稱WindIris),安裝在風機機艙上,最遠可以測量到風機前750米;2)一座高120米的完全符合IEC標準的測風塔,在風機前380米處;3)兩個地面激光雷達WindCube,位于風機前395米和550米處。

 

 圖1:項目設備與風機位置示意圖

    表1:項目選用設備型號與位置的詳細信息

2.測量結果

2.1 遠量程的數據有效率

激光雷達的數據有效率是功率曲線測試中的關鍵參數。十分鐘平均數據結果顯示,在750米的距離內,激光雷達的數據有效性,在87%至95%之間。該測試結果說明,長距離機艙式激光雷達在750米較遠的測量范圍內均保持了較好的數據有效率,長距離機艙式激光雷達具有很好的測風能力,可以充分測量750米風場的演化情況,完全勝任現在和以后一段時間內大葉輪風機功率曲線測試的要求。

圖2:各個測量距離的數據有效率

2.2 遠距離量程的性噪比

載波性噪比CNR,可以表示激光雷達接受到的返回信號的強度,下圖顯示了激光束上CNR分布。CNR的峰值在220米,在所有測量范圍上,信號強度均較好,表明激光雷達在750米的距離內的測量質量較好。

圖3:各個測量距離的信噪比CNR

  2.3 風速測量精度

  通過與測風塔、地面激光雷達進行比較,下圖是機艙式激光雷達的測試結果:1)機艙式激光雷達與IEC測風塔線性擬合公式為:y=0.995x+0.0367.相關系數平方為0.9905;2)機艙式激光雷達與550米處地面激光雷達的擬合公式為:y=1.0005x-0.0843.相關系數平方為0.9843.線性擬合結果的斜率、截距、相關系數均較好,機艙式激光雷達用作風機功率曲線測試的精度是可以信賴的。

2.4 測量效率

機艙式激光雷達隨著風機偏航、實時對準風向,可以較好地提升了測量效率。同時,相對于地面固定點的測量,機艙式激光雷達可以測量不同風向扇區的風機功率曲線,評估不同來流方向下的風機性能。

圖5是測量時段地面激光雷達的風速玫瑰圖。左圖是全部風速段下的風玫瑰圖;右圖是風速大于3m/s且小于20m/s時的風玫瑰圖。風速玫瑰圖表明,測量場地的主導風向為西風。

下表2是測量時間內,不同風向下的風速百分比。在西西南、西南兩個風向區間內,測風塔的代表性較好,在這兩個區間,時間的百分比之和為22.2%。但是如果采用機艙式激光雷達,其他風向下的風速測量也可用作功率曲線測試的樣本,可以顯著提高測量效率。如果不考慮其他因素,可提高測量效率4.5倍。

  圖5:測量時段地面激光雷達的風速玫瑰圖(左圖:全部風速段;右圖:風速大于3m/s,且小于20m/s)

  表2:測量時間內,不同風向下的風速百分比(單位:%)

  3.結論

  為了驗證機艙式激光雷達對風場的測量性能,本項目通過將機艙式激光雷達和符合IEC標準的測風塔、地面激光雷達進行對比。

  1)機艙式激光雷達的測量精度較好:機艙式激光雷達與IEC測風塔線性擬合公式為:y=0.995x+0.0367.相關系數平方為0.9905;機艙式激光雷達與550米處地面激光雷達的擬合公式為:y=1.0005x-0.0843.相關系數平方為0.9843.線性擬合結果的斜率、截距、相關系數均較好,機艙式激光雷達用作風機功率曲線測試的精度是可以信賴的。

  2)機艙式激光雷達隨著風機偏航、實時對準風向,可以較好地提升了測量效率。分析測量時間內不同風向下的風速百分比,機艙式激光雷達可以顯著提高測量效率,最大可提高測量效率4.5倍。

  3)機艙式激光雷達的數據有效率,在750米的距離內,在87%至95%范圍之間,并且信噪比均較好。長距離機艙式激光雷達具有很好的測風能力,可以充分測量750米風場的演化情況,可用于現在和未來的大葉輪風機功率曲線測試的要求。

  參考文獻:

  [1]梁志,“機艙式激光雷達在風電后市場領域的應用方向與案例分析,”《風能產業》,2019.

  [2] 劉陽林,葉小廣,楊超,and劉慶超,“一種風力發電機組功率曲線的驗證方法,”發電與空調,2017.

  [3] IEC,“IEC61400-12-1 Wind turbines Part 12-1: Power performance measurements ofelectricity producing wind turbines,”2016.

  作者:梁志 LeosphereSAS RobinCOTE

  來源:《風能產業》2022.04

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