馮紅巖,朱海娜

(天津中德應用技術大學能源工程學院，天津 300350)

1 引言

激光雷達測風儀(lidar anemometer，下文簡稱Lidar)不僅在風能資源測量中顯現出了巨大優(yōu)勢，激光雷達測風技術的不斷發(fā)展也為風電機組的智能化提供了更廣闊的空間。將Lidar應用于風電機組，進行風況的多參數準確測量和機組優(yōu)化控制的研究，主要集中于兩個方向：一是利用激光雷達預測風速的特點進行風電機組的前饋控制技術研究，文獻[1]借助Lidar對機組前方的風速特點進行了詳細研究，可以對各種基于Lidar 的控制技術應用提供支持，韓兵等人將模型預測控制技術應用到基于激光雷達的風電機組控制策略中，仿真結果表明可以增加機組運行的穩(wěn)定性，降低機組的疲勞載荷[2]。Haizmann等人給出了基于Lidar的前饋控制技術的具體實現方式[3]，Bossanyi 等人通過對多款Lidar 在機艙上的實際應用進行研究，發(fā)現將其應用于變槳前饋控制可以顯著降低機組的疲勞載荷[4]；另一個方向是將Lidar 應用于偏航控制的優(yōu)化，Bossanyi 認為風電機組的偏航系統(tǒng)是一個非常緩慢的跟隨系統(tǒng)，Lidar可以提前幾秒預測風向的特點對偏航控制而言，不能帶來任何優(yōu)勢，但是Lidar 可以避免傳統(tǒng)風向標由于葉輪的擾動對風向檢測產生的偏差，因此，可以用Lidar 對傳統(tǒng)風向標測到的偏航誤差進行校正[5]。文獻[6-7]對Lidar 在偏航控制優(yōu)化中的應用進行了基于實測數據的研究，但是不論是對Lidar的風向檢測設置方式，偏航誤差的校正方式，還是校正方案的適用條件等方面研究的都不夠深入。本文在對Lidar 的偏航誤差檢測原理進行分析的基礎上，對其應用于機組偏航控制或校正的適應性進行了說明；在研究機組前方氣流分布特點的基礎上，明確了Lidar 的風向檢測設置方式；從檢測數據的處理，偏航誤差校正函數的擬合，偏航優(yōu)化控制策略的實施等方面設計了一套完整的偏航誤差校正方案。

2 項目描述

測試風場位于河南省唐河縣境內，主導風向為NE和SSW。選取3 號機組為測試機組，如圖1所示，在主導風向上地勢相對平坦，且沒有上游風機的尾流影響。機組額定功率2500kW，葉輪直徑為121m，額定風速10m/s(安裝地空氣密度下)。機組上安裝了一臺四光束激光雷達測風儀，可以同時采集前方50-200米十個不同距離的風況信息。

圖1 被測機組的位置及有效風向扇區(qū)

因為在風電機組實際運行過程中，機組的效率、載荷與風向無關，影響機組性能的是偏航對風的誤差。機艙上安裝的測風儀，直接檢測到的是機組的偏航誤差，即測風儀參考零位線與風向的夾角。在測風儀安裝中，其參考零位線與機艙中軸線是否嚴格平行，就成為影響偏航誤差的至關重要的因素[8]。所以在開始測試之前，對本地風向標的安裝精度進行了校準。

3 Lidar的檢測原理及設置

Lidar 的風速、風向檢測原理是分析其適用范圍、檢測誤差來源的基礎。

3.1 Lidar的檢測原理

Lidar根據大氣中散射粒子的多普勒頻移效應，可以直接測得沿光束方向大氣散射粒子的移動速度。為簡單明了，以圖2所示兩目激光雷達測風儀為例，說明風速、風向計算原理。傳感器可以直接測得左側激光束方向氣流速度Vlos1和右側激光束方向氣流速度Vlos2。假設當前風速、風向如矢量V所示，V可以分解為與儀器軸線垂直的矢量U和與儀器軸線平行的矢量W，假設激光束方向與水平面平行，忽略風速垂直方向分量，則有：

圖2 激光測風儀的風速風向計算原理圖

其中α是激光束與機組機艙中軸線的夾角，根據以上兩式可以推導出：

則風速為：

設風向與儀器中軸線的夾角為Φ，則Φ可由下式求得：

根據公式(5)、(6)便可以測出機艙前方設定距離的自由流的風速，及風向與儀器中軸線的夾角。使激光測風儀的中軸線與機艙的中軸線重合，則Φ角即為機組的偏航誤差。四目或多點圓周掃描式的激光雷達對風速和風向的計算原理與上述兩目式基本相同，但可以擴展到對橫向和縱向風切變的檢測，進而得到整個葉輪前面的平均風速，而不僅是葉輪正前方輪轂高度的風速。所以檢測數據更完備，成本也更高。

由此可見，Lidar是基于對左右兩側光束方向檢測位置處氣流流速的大小，進行偏航誤差計算的。但是，葉輪沒對正風向、兩個檢測位置的實際風速不同這兩個因素都會導致Vlos1和Vlos2的大小有差異。在后期的數據處理過程中，會一起影響機組偏航誤差的計算。所以，Lidar不能有效區(qū)分機組的實際偏航誤差和風速的水平切變。在上游地表粗糙度比較大，或者上游機組尾流影響嚴重的扇區(qū)，用Lidar 的偏航誤差檢測結果進行偏航控制，可能會引入不確定性誤差[9]。本項目參考了風電機組功率特性測試標準IEC61400-12-1：2017[10]的規(guī)定，只有符合安裝測風塔條件的扇區(qū)，才可以作為進行偏航校正有效數據采集的扇區(qū)。所以用Lidar進行偏航誤差校正，首先要確定有效的風向扇區(qū)，本項目被測機組的有效風向扇區(qū)如圖1標出的扇區(qū)所示。

3.2 Lidar的檢測設置

IEC61400-12-1：2017規(guī)定測風塔距被測風機的距離要在2D-4D 之間，D 為葉輪直徑。實測數據也表明在距風機距離小于2D范圍內，風速、風向開始緩慢發(fā)生畸變。

隨機選取不同風速下實測的葉輪前方不同距離處的偏航誤差曲線如圖3所示。從圖中可以看出，同一時刻檢測到的不同距離處的偏航誤差規(guī)律的向一個方向變化，但是變化的方向不確定。這也直接反映出氣流在接近葉輪時風向將發(fā)生畸變。測試結果也表明，風速在葉輪前方首先經歷一個受壓加速的過程，然后逐步降低，轉折點隨風速不同而略有變化。而風電機組在運行中，是要對正不受自身干擾的風的方向，才能保證機組的風能利用效率。要獲得不被葉輪干擾的自由流的風速和風向，測試點要遠離葉輪，符合IEC61400-12-1 的規(guī)定。但是對于以優(yōu)化機組的控制方式為目的檢測，檢測點越靠近風機，檢測結果所需要的延時時間越小，有效性也越高。通過對大量檢測數據進行分析發(fā)現，距離風機大于1．5D后，偏航誤差值隨距離變化趨緩，可以反應自然風向。

圖3 不同風速下葉輪前方風向隨距離變化趨勢

另外，風電機組吸收的風能大部分集中在葉片3R/4以上的范圍，在這個范圍內的風速和風向是對機組的出力影響最大的[11]。在設置激光雷達的測試距離和錐角時要盡量使檢測點落在這個范圍。本測試項目所用激光雷達的水平錐角為15°，垂直錐角為12．5°。所以，靠近葉輪的測試點的風向測量精度會有所降低。

結合以上兩點分析，本項目最終確定以200米處的偏航誤差作為修正機艙偏航誤差的參考值。在對每個檢測位置的風向都有較高精度要求的應用中，建議激光測風儀不同距離用不同的錐角值。但需要注意，錐角過大會影響風速的檢測精度。

4 偏航誤差分析與傳遞函數的擬合

4.1 數據的前處理

數據分別取自SCADA 系統(tǒng)記錄的機組本地測風儀測得的10min 偏航誤差和Lidar 數據采集系統(tǒng)記錄的10min 偏航誤差。無效測量數據會嚴重影響偏航誤差的統(tǒng)計，進而影響擬合的傳遞函數的有效性，因此需要進行數據預處理，包括數據篩選和數據質量檢查2個步驟。數據篩選：(1)剔除風電機組偏航系統(tǒng)在“not active”狀態(tài)下的數據；(2)剔除在有效測量扇區(qū)之外的數據；(3)剔除風速低于切入風速和高于額定風速的數據；(4)剔除絕對值大于30°的數據。數據質量檢查：(1)確保測試信號在正常范圍內且可利用；(2)確保傳感器正常運行；(3)確保數據采集系統(tǒng)正常運行；(4)激光測風儀測量數據有效率大于0．3。

由于風向的畸變受風速影響較大，采用風速分區(qū)擬合的方式，分3～6．5m/s，6．5-10m/s兩個區(qū)段，從切入風速(3m/s)到額定風速(10m/s)分區(qū)擬合傳遞函數。剔除所有無效數據后，保證在擬合的風速區(qū)段內，在[-10°～10°]的偏航誤差范圍內，每0．5°區(qū)間至少有5 個以上有效數據[12-14]，以保證最終的擬合精度。

4.2 偏航誤差分析與傳遞函數的擬合

測試期間本地風向標的10min偏航誤差測量結果平均值為0．11°，均方差為5．39°，說明機組在控制系統(tǒng)作用下能進行良好的風向跟蹤，風向標安裝的精度和機組的偏航控制策略滿足要求。而Lidar 的偏航誤差檢測結果均值為2．13°，均方差為4．92°。這主要是因為測試期間機組以本地風向標的檢測輸入作為偏航控制偏差，沒有追蹤Lidar 測得的風向。二者平均值的偏差2．02°，即為本地測風儀受葉輪旋轉的干擾而產生的測量偏差。

以機組本地風向標的偏航誤差測量結果x為橫坐標，以激光雷達檢測出的偏航誤差y為縱坐標畫出低風速和高風速時的散點圖，如圖4和圖5所示。采用最小二乘法對x，y進行一階線性擬合，風速在3～6．5m/s 間擬合的傳遞函數為：

圖4 低風速區(qū)間的散點圖和擬合曲線

圖5 高風速區(qū)間的散點圖和擬合曲線

其擬合優(yōu)度R2=0．4559。

風速在6．5～10m/s間擬合的傳遞函數為：

其擬合優(yōu)度R2=0．4748。從擬合結果可以看出，傳統(tǒng)風電標的檢測誤差主要來源于低風速段；而高風速段Lidar的偏航誤差檢測結果比本地風向標的更穩(wěn)定。

5 誤差校正交替控制策略的設計

通過前面分析可知Lidar 對偏航誤差的檢測精度是受一定條件限制的：只有機組前方沒有上游風機尾流影響和地形條件符合要求的扇區(qū)才可以開啟校正函數。針對此問題，設計了偏航誤差校正交替控制的策略，并且不同風速段對應不同傳遞函數以提高精度，控制流程圖見圖6。

圖6 偏航誤差校正交替控制策略流程圖

6 結果分析

應用上述偏航誤差校正交替控制策略對目標機組進行了一個月的運行控制后，取SCADA數據進行分析。對測試期間的偏航誤差求均值，結果為1．91°，該偏差是因為偏航誤差校正控制程序修正本地風向標的偏航誤差檢測結果而引入的。

利用中央監(jiān)控系統(tǒng)的實時數據中“偏航電機工作時間”統(tǒng)計結果，采用校正控制之前2019年5月16日-6月15日偏航電機累計工作時間為38．3個小時；采用偏航校正控制之后2019年8月1日-8月30日偏航電機累計工作時間為32．5 個小時。偏航電機的動作率由5．32%，降低為4．51%。這說明偏航系統(tǒng)的動作頻率明顯降低，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)在上述校正前一個月和校正后一個月的10min數據，做出機組網側功率的散點圖，并求出每0．5m/s風速區(qū)間的功率均值，如圖7所示。從散點圖中可以看出：采取校正措施后，在相同風速下，網側功率10min 均值可以達到一個更高的輸出。校正后的功率曲線要優(yōu)于采取校正措施措施之前。根據功率曲線進行年發(fā)電量計算，結果表明：本測試項目采取交替校正的控制策略后年發(fā)電量可以提高1．87%。

圖7 校正前后功率曲線比較

7 結束語

項目基于Lidar測風數據，進行風電機組的偏航誤差校正問題進行了深入的研究，主要成果和需要進一步研究的問題總結如下。

通過對Lidar的風向測量原理進行分析，得出了應用Lidar 的檢測結果直接或間接進行偏航誤差校正的局限性，提出只有在機組上游沒有明顯尾流，地表粗糙度比較小的情況下，才能得到高精度的檢測結果。地形和上游風機尾流對Lidar風向檢測結果的影響需要進一步研究。

通過對葉輪前方的風向變化規(guī)律進行分析，發(fā)現要檢測到不受干擾的自由流的風向進行偏航誤差控制，測試點距葉輪的距離應大于1．5D，徑向位置在3R/4～R之間為宜。

設計了一套擬合偏航誤差傳遞函數的方法和偏航誤差校正交替控制策略。該方案只需經過短期安裝Lidar，得到足夠的測試數據，擬合出可信度較高的偏航誤差傳遞函數，應用到設計出的控制策略中即可完成，無需增加硬件成本。經過實際測試表明，該方案可以降低機組偏航動作的頻率，有助于提高機組的發(fā)電量，具有實際工程應用價值。