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​机舱式激光雷达在风机功率曲线测试中的应用与实例分析

2022-08-04 来源:《风能产业》作者:梁志 LeosphereSAS RobinCOTE 浏览数:1233

为了验证机舱式激光雷达对风场的测量性能,本项目通过将机舱式激光雷达和符合IEC标准的测风塔、地面激光雷达进行对比。机舱式激光雷达的测量精度较好:机舱式激光雷达与IEC测风塔线性拟合公式为:y=0.995x+0.0367,相关系数平方为0.9905;机舱式激光雷达与550米处地面激光雷达的拟合公式为:y=1.0005x-0.0843,相关系数平方为0.9843。线性拟合结果的斜率、截距、相关系数均较好,机舱式激光雷达用作风机功率曲线测试的精度是可以信赖的。机舱式激光雷达随着风机偏航、实时对准风向,可以较好地

   引言

功率曲线测试,是一种较为客观的评价风机性能的方法,是风机性能优化、风机研发测试等一系列研究工作的前提。近十几年,中国风电行业保持了长时间、高速度的发展,主流风机的单机容量、叶轮直径越来越大,根据IEC的功率曲线测量标准,要测量风机前方更远距离的风速[1]。同时,越来越复杂的风电场现场,使得风机面对更为复杂的风速状况,对风机功率曲线、风机性能评估提出了更高、更复杂的要求[2]。

常规功率曲线测量的周期较长,并且需要单独建造测风塔,有时还会涉及到复杂的场地标定。新形势下,功率曲线测试的发展方向是:准确可靠、高效快速、高性价比、可识别复杂风场状况。近年来,激光雷达(LightDetection andRanging,简称LiDAR),发展迅速,已经成为风机功率曲线测试的重要方式,得到了风电行业的认可。激光雷达,是利用激光来进行探测的遥感设备,利用气溶胶的多普勒效应进行风场测量。测风激光雷达采用可见光或近红外波段进行主动遥感测量,具有下列优点:高时空分辨率、强抗干扰能力、准确的测量精度、可全天不间断工作。

随着激光雷达在功率曲线测试方面的应用,国际电工委员IEC也在不断更新和发布更多的测试标准。在2012年,IEC64100-12-1标准,增加了地面遥感测风设备进行功率曲线测试的规定[3]。IEC64100-50-3标准也计划在2021年发布,针对机舱式激光雷达功率曲线测试明确了要求。激光雷达,越来越成为风电行业在功率曲线测量方面的选择。

1.项目介绍

为了验证机舱式激光雷达对风场的测量性能,本项目通过将机舱式激光雷达和IEC标准的测风塔、地面激光雷达进行对比。测试风机是一台8MW风机,叶轮直径167米,轮毂高度120米。测量场地,选在在丹麦技术大学DTU的Østerild测试场地,测量时间从2019年6月至2020年2月,一共进行了9个月的测量。项目的设备分布图、详细信息,详见图1和表1.

在IEC61400-12-1中,功率曲线测试需要测量风机前2D到4D处的风速,推荐测量2.5D[3]。测量设备布置如下:1)Leosphere的WindCubeNacelle机舱式激光雷达(之前称WindIris),安装在风机机舱上,最远可以测量到风机前750米;2)一座高120米的完全符合IEC标准的测风塔,在风机前380米处;3)两个地面激光雷达WindCube,位于风机前395米和550米处。

 

 图1:项目设备与风机位置示意图

    表1:项目选用设备型号与位置的详细信息

2.测量结果

2.1 远量程的数据有效率

激光雷达的数据有效率是功率曲线测试中的关键参数。十分钟平均数据结果显示,在750米的距离内,激光雷达的数据有效性,在87%至95%之间。该测试结果说明,长距离机舱式激光雷达在750米较远的测量范围内均保持了较好的数据有效率,长距离机舱式激光雷达具有很好的测风能力,可以充分测量750米风场的演化情况,完全胜任现在和以后一段时间内大叶轮风机功率曲线测试的要求。

图2:各个测量距离的数据有效率

2.2 远距离量程的性噪比

载波性噪比CNR,可以表示激光雷达接受到的返回信号的强度,下图显示了激光束上CNR分布。CNR的峰值在220米,在所有测量范围上,信号强度均较好,表明激光雷达在750米的距离内的测量质量较好。

图3:各个测量距离的信噪比CNR

  2.3 风速测量精度

  通过与测风塔、地面激光雷达进行比较,下图是机舱式激光雷达的测试结果:1)机舱式激光雷达与IEC测风塔线性拟合公式为:y=0.995x+0.0367.相关系数平方为0.9905;2)机舱式激光雷达与550米处地面激光雷达的拟合公式为:y=1.0005x-0.0843.相关系数平方为0.9843.线性拟合结果的斜率、截距、相关系数均较好,机舱式激光雷达用作风机功率曲线测试的精度是可以信赖的。

2.4 测量效率

机舱式激光雷达随着风机偏航、实时对准风向,可以较好地提升了测量效率。同时,相对于地面固定点的测量,机舱式激光雷达可以测量不同风向扇区的风机功率曲线,评估不同来流方向下的风机性能。

图5是测量时段地面激光雷达的风速玫瑰图。左图是全部风速段下的风玫瑰图;右图是风速大于3m/s且小于20m/s时的风玫瑰图。风速玫瑰图表明,测量场地的主导风向为西风。

下表2是测量时间内,不同风向下的风速百分比。在西西南、西南两个风向区间内,测风塔的代表性较好,在这两个区间,时间的百分比之和为22.2%。但是如果采用机舱式激光雷达,其他风向下的风速测量也可用作功率曲线测试的样本,可以显著提高测量效率。如果不考虑其他因素,可提高测量效率4.5倍。

  图5:测量时段地面激光雷达的风速玫瑰图(左图:全部风速段;右图:风速大于3m/s,且小于20m/s)

  表2:测量时间内,不同风向下的风速百分比(单位:%)

  3.结论

  为了验证机舱式激光雷达对风场的测量性能,本项目通过将机舱式激光雷达和符合IEC标准的测风塔、地面激光雷达进行对比。

  1)机舱式激光雷达的测量精度较好:机舱式激光雷达与IEC测风塔线性拟合公式为:y=0.995x+0.0367.相关系数平方为0.9905;机舱式激光雷达与550米处地面激光雷达的拟合公式为:y=1.0005x-0.0843.相关系数平方为0.9843.线性拟合结果的斜率、截距、相关系数均较好,机舱式激光雷达用作风机功率曲线测试的精度是可以信赖的。

  2)机舱式激光雷达随着风机偏航、实时对准风向,可以较好地提升了测量效率。分析测量时间内不同风向下的风速百分比,机舱式激光雷达可以显著提高测量效率,最大可提高测量效率4.5倍。

  3)机舱式激光雷达的数据有效率,在750米的距离内,在87%至95%范围之间,并且信噪比均较好。长距离机舱式激光雷达具有很好的测风能力,可以充分测量750米风场的演化情况,可用于现在和未来的大叶轮风机功率曲线测试的要求。

  参考文献:

  [1]梁志,“机舱式激光雷达在风电后市场领域的应用方向与案例分析,”《风能产业》,2019.

  [2] 刘阳林,叶小广,杨超,and刘庆超,“一种风力发电机组功率曲线的验证方法,”发电与空调,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

  来源:《风能产业》2022.04

【延伸阅读】

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