基于激光雷达测风仪的复杂地形风电机组自由流风速测试方法研究

2016-02-13张伟雷阳杜成荣

综合智慧能源 2016年12期

关键词：测试方法激光雷达风电

张伟，雷阳，杜成荣

（1.华电电力科学研究院，杭州 310030；2.浙江运达风电股份有限公司，杭州 310026）

基于激光雷达测风仪的复杂地形风电机组自由流风速测试方法研究

张伟1，雷阳1，杜成荣2

（1.华电电力科学研究院，杭州 310030；2.浙江运达风电股份有限公司，杭州 310026）

自由流风速是风电机组功率曲线评估、出质保验收和后期健康运行等环节中的重要参数。传统方法是利用测风塔进行测试，存在测试周期长、测试成本高和施工难度大等缺点，特别在复杂地形中无法进行有效的测试。参考IEC 61400-12-1—2015标准，利用测量精度高、测量范围广和安装方便的激光雷达测风仪制定一套适合复杂地形风电机组自由流风速的测试方法。利用机载式雷达测风仪对复杂地形自由流风速进行不同距离的测试，根据分象限的风速变化趋势可判断自由流风速，用地面式激光雷达测风仪可验证数据的准确性和可信度。依托云南某风电场的实际案例进行试验，试验结果显示本文所采用的测试方法是可行的。

自由流风速；复杂地形；激光雷达测风仪；风电机组；测试方法

0 引言

目前，全球逐年变暖、环境问题日趋严重，风能作为一种清洁能源，已被世界上大部分国家所重视，尤其是德国、美国和丹麦等发达国家都在大力发展［1-2］。我国风力发电起步较晚，但发展迅速。2014年，我国风电行业继续保持强劲的发展势头，全年风电新装机容量19.81 GW，创历史新高；2014年我国风电累计并网装机容量达96.37GW，占全部发电装机容量的7%，占全球风电装机的27%［3］。风电飞快发展的同时，各类问题也逐步凸显。机组的实际出力性能与理论设计存在一定差距，而评估风电机组出力性能的最有效方法是对机组的功率曲线进行测试、分析。

风电机组功率曲线的测试是机组型式认证中极为重要的环节；功率曲线测试在机组性能评估、投产验收、出质保验收和后期健康运行等方面均扮演着重要角色［4-5］。功率曲线测试包含风速、功率和空气密度等的测试，测试的关键在于如何精准地对自由流风速进行测试，核心在于如何解决复杂地形中自由流风速的测试问题。

目前，国内外相关研究机构对风电机组自由流风速测试的通行方法是依据IEC 61400-12-1—2015［4］等相关标准并利用测风塔进行测试［6-7］。利用测风塔进行风电机组自由流风速测试存在以下问题：（1）采用风杯式风速计的测风塔测量精度低，不满足更高规格的测试要求；（2）测风塔建造速度慢导致测试周期长；（3）测风塔一旦建好，不易移动，导致使用效率低；（4）当地形复杂时，测风塔的施工难度大；（5）多数复杂地形不满足IEC 61400-12-1—2015等相关标准，需进行地形标定；地形标定时需进行机组移位，项目实施难度大。故制定一套测试精度高、测试周期短、测试范围广、能适合复杂地形的自由流风速测试方法显得格外重要。

1 自由流风速的测试方法

1.1 基于IEC标准的自由流风速测试方法

通常，自由流风速指的是自然条件下未被干扰的空气流动速度。针对风电机组功率曲线中自由流风速难以直接测试的问题，国外编写了IEC 61400-12-1—2015等相关标准，其基本过程是：（1）对测试场地进行评估并处理；（2）扇区排除并利用测风塔进行风速测量；（3）数据采集、处理，通过计算、分析得出相关结果。已投运的平坦地形风电场的测试条件符合IEC 61400-12-1—2015标准，但多数复杂地形风电场的测试条件不满足IEC标准。若地形不满足要求，则被测风电机组需进行移位处理，在实际应用中较难开展测试、评估工作。

影响自由流风速测试的关键因素有：（1）地形、地貌的影响。风电机组周围的地形、地貌存在差异，不满足IEC 61400-12-1—2015标准。（2）障碍物、其他风电机组对测试的影响。测试场地所处的环境一般较为复杂，各类障碍物或风电机组均会使测试存在不同程度的误差。（3）测试数据的采集和

处理存在一定的误差。

1.2 复杂地形自由流风速的测试方法

针对自由流风速在复杂地形中难以测试的问题，本文依据IEC 61400-12-1—2015标准，利用激光雷达测风仪对风电机组自由流风速进行测试，可有效解决问题。

1.2.1 机组选择和地形评估

被测机组选取原则有：（1）在风场边缘主风向上风向的位置；（2）被测机组在测试期间故障率较少；（3）叶片不应有砂眼等缺陷；（4）风电机组其他部件完好，运行稳定、可靠等。

被测机组所处的地形变化可能会引起气流畸变，故需对测试现场进行评估。具体做法是利用风电场测绘的地形图，依据IEC 61400-12-1—2015标准附录的要求进行地形评估。

1.2.2 激光雷达测风仪

激光雷达测风仪［8-9］是基于光的多普勒频移原理进行风速测量，可全方位精准测量风速（可测量风轮等效风速）、风向、大气温度、大气压力和相对湿度等多元信息。激光雷达测风仪一般分为地面式和机载式2种，地面式可测量不同高度的风速，机载式可测量不同距离的风速，激光雷达测风仪主要参数见表1。

表1 激光雷达测风仪的主要参数［10］

1.2.3 数据采集和处理

激光雷达测风仪测试数据可通过设定的邮箱进行收集，收集后的数据进行处理时应剔除以下数据：（1）风速以外的其他外部条件超出风电机组的运行范围；（2）因故障导致风电机组停机；（3）在试验中或维护运行中人工停机；（4）试验仪器故障或降级；（5）风向在场地标定有效扇区之外；（6）机载式激光雷达测风仪受叶轮旋转影响的数据。

本文参考IEC 61400-12-1—2015相关标准，利用地面式激光雷达测风仪和机载式激光雷达测风仪进行不同高度和不同距离风速的测量，并依托实际案例经过相关性分析、对比分析以及分象限分析等制定一套适合复杂地形中自由流风速的测试方法。

2 试验

2.1 测试机组选择和场地评估

本次复杂地形自由流风速测试的试验场区位于云南省蒙自市某风电场，该风电场场区为一片高台地，台地以西较为低矮开阔；场区内生长的植物以低矮灌木、草类、蕨类植物为主；海拔1 980～2 300m；风场主风向为西北风。根据第1.2.1节初步选取#26风电机组为被测机组。被测风电机组为1.5 MW、3叶片、水平轴、上风向、变速、变桨双馈型，其主要参数见表2。被测机组周围环境地形如图1所示。

表2 风电机组的主要参数

图1 被测机组周围环境地形

评估计算方法参考IEC 61400-12-1—2015标准。经计算，地形不符合IEC 61400-12-1—2015标准规定，属于复杂地形；通过计算和现场踏勘发现，#26风电机组285°～320°方向地形较为平坦，初步认为该方向的风速适合本次测试。

2.2 激光雷达测风仪安装

本次利用地面式和机载式激光雷达测风仪进行自由流风速的测试，地面式和机载式激光雷达测风仪现场布置如图2所示。

图2 激光雷达测风仪现场布置

将地面式激光雷达测风仪放置于#26风电机组西北303°，距离风电机组2d（164m）距离处；设置测量高度为10，24，40，55，65（轮毂高度），80，90，106，120m。将机载式激光雷达测风仪安装于#26风电机组机舱上，距离机舱距离1.5m，距离叶轮中心5 m；测量距离为10，45，82，123，164（2d），185，225，246m。基于地面式和机载式激光雷达测风仪的测试示意图如图3所示。

2.3 试验数据采集及处理

数据采集时间为2015-04-02—07-01，激光雷达测风仪采集到的数据实时保存至激光雷达系统内部，通过专业软件可下载及采集。

数据采集后对数据进行处理，剔除规则见第1.2.3节；剔除数据后选取风向在285°～320°内的数据即为试验所测的合格数据。

3 试验结果分析

3.1 基于地面式激光雷达测风仪风速分析

地面式激光雷达测风仪的试验结果见表3和图4。将地面式激光雷达测风仪所测不同高度层的风速进行相关性分析，结果见表4。

由表4可知，不同高度层风速的相关性较好，随着测量高度增大，风速也随之增大。

图3 地面式和机载式激光雷达测风仪测试示意

图4 地面式激光雷达测风仪所测不同高度层风速的日变化趋势

表3 不同高度层的平均风速

表4 不同高度层风速的相关性系数值

3.2 基于机载式激光雷达测风仪风速分析

机载式激光雷达测风仪的试验结果见表5和图5。将机载式激光雷达测风仪所测不同距离层的风速进行相关性分析，结果见表6。

由表6可知，不同距离层风速的相关性较好，机载式激光雷达测风仪距离#26风电机组123～246m内风速相差非常小，仅0.02m／s，当距离在1d以内时，随着距离的缩近，风速衰减的程度增高。

3.3 测试场地自由流风速的确定

由表4和表6可知，地面式和机载式激光雷达测风仪所测不同高度或不同距离风速的相关性R2值均大于0.95，相关性较好，由此认为本次测试数据是可信的。

由表5可知，风吹向机组时，随着距离的缩减，风速呈不变到衰减的趋势；由于#26机组该方向的地形比较平坦，风速衰减可能是受风轮的影响，故可认为2d（164m）处的风速为#26机组的自由流风速。由表3和表5可知，地面式激光雷达测风仪距离#26风电机组2d、高度为65m轮毂高度的风速与机载式激光雷达测风仪所测相同点位的风速差异较小，仅为0.01m／s，验证了地面式和机载式激光雷达测风仪的测量精度。

为进一步验证数据的可信程度，将地面式和机载式激光雷达测风仪所测距离#26风电机组164m（2d），65m轮毂高度的数据进行相关性分析，如图6所示。

在图6中，地面式和机载式测风仪风速相关性R2值为0.98，相关性好。验证了地面式和机载式激光雷达测风仪在方向285°～320°上，距离#26风电机组164m（2d），65m轮毂高度的风速数据可信。

由以上分析可知，认为在方向285°～320°上，距离#26风电机组164m（2d），65m轮毂高度的风速即为#26风电机组的自由流风速。

图5 机载式激光雷达测风仪所测不同距离风速的日变化趋势

图6 地面式和机载式激光雷达测风仪风速相关性

表5 不同距离层的平均风速

表6 不同距离层风速的相关性系数值

综上所述，使用机载式激光雷达测风仪进行自由流风速测试，通过合理测试距离的设置，根据风吹向机组时随着距离的缩减，风速呈增大或不变到衰减的趋势，可初步判定风速变化所处转折点的风速即为自由流风速；利用地面式激光雷达测风仪可验证该点风速是否为自由流风速。故利用激光雷达测风仪参考IEC 61400-12-1—2015等相关标准进行复杂地形自由流风速的测试方法是可行的。

4 结论

利用测风塔并依据IEC 61400-12-1—2015等相关标准的传统方法进行风电机组自由流风速测试，存在测试周期长、测量精度一般、推行难度大等问题，针对该情况提出了基于激光雷达测风仪复杂地形下风电机组自由流风速的测试方法。依托云南某风电场通过场地评估进行象限选择，利用地面式和机载式激光雷达测风仪分别测量不同高度和不同距离处的风速，经过数据采集和处理并对数据进行相关性分析、对比分析，分象限、分不同高度、不同距离进行分析，最后认为在方向285°～320°上，距离#26风电机组164m（2d），65m轮毂高度的风速即为#26风电机组的自由流风速。

虽然IEC 61400-12-1—2015等相关标准未提出采用激光雷达测风仪进行风电机组功率曲线或自由流风速的测试，但是通过本文的试验证明：激光雷达测风仪技术可用于风电机组复杂地形自由流风速的测试。本文所述复杂地形自由流风速的判定方法是采用机载式激光雷达测风仪进行自由流风速测试，通过设置合理的测试距离，根据风吹向机组时随着距离的缩减，风速呈增大或不变到衰减的趋势，可初步判定风速变化所处转折点的风速即为自由流风速；利用地面式激光雷达测风仪验证了数据的准确性和可信度。利用基于激光雷达测风仪风电机组复杂地形自由流风速的测试方法，可精准实现对自由流风速的测试，不仅测试精度高、测试范围广、测试周期短、测试费用少，而且操作方便，可适用于复杂地形的测试，对促进我国风电行业性能评估和测试技术的进步具有积极意义。

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（本文责编：白银雷）

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