基于激光雷达测风仪的风机功率曲线对比研究及应用

2016-02-13雷阳马东杜成荣

综合智慧能源 2016年12期

关键词：激光雷达型号风电场

雷阳，马东，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风机功率曲线对比研究及应用

雷阳1，马东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）

通过激光雷达测风仪精准、快速地测得不同型号风机的功率曲线，对功率进行标幺化处理并参考IEC 61400-12-1—2015标准进行功率曲线对比分析，从而确定较优机型，为风机性能评估和风电场机组选型提供参考。

激光雷达测风仪；风机；功率曲线；标幺化

0 引言

风电是目前新能源开发中技术最成熟、最具有规模化发展前景的发电方式之一［1］。功率曲线可多方面反映机组的特性，功率曲线测试是目前风电场运营商最为关注的一项环节［2］。

随着世界各国风机装机容量的迅速增大，主流风机的单机容量越来越大，如何更合理地进行风机选型成为目前国内外研究人员日益重视的问题［3］。由于不同型号风机的额定功率不尽相同，准确、公平地进行对比分析显得尤为重要。

参考IEC 61400-12-1—2015［4］标准，利用地面式激光雷达测风仪对不同型号风机进行功率曲线测试，采用标幺化方法对功率进行处理，对比分析不同型号的风机功率曲线，从而确定最优机型，为风电场机组优化选型提供强有力的数据支撑。

1 不同型号风机功率曲线对比分析

1.1 基于IEC标准的功率曲线测试

IEC 61400-12-1—2015［4］标准规定了风机功率曲线的测试方法，基本流程包括：（1）前期准备和测风塔位置的选择；（2）测量扇区的排除和测试场地的评估；（3）数据收集、筛选和修正；（4）数据标准化处理后得到功率曲线；（5）年发电量（AEP）估算。IEC是利用测风塔对风机进行功率曲线测试的，但受各种原因的影响测风塔无法应用于现场，本文利用激光雷达测风仪代替测风塔，参考IEC 61400-12-1—2015标准进行功率曲线测试，具有效率高、精度高、成本低等特点［1，5］。

1.2 激光雷达测风仪

激光雷达测风仪利用光的多普勒频移原理，通过测量光波反射在空气中遇到随着风运动的气溶胶粒子所产生的频率变化得到风速、风向的信息，从而计算出相应高度的矢量风速和风向数据，具有测试精度高、测量范围广、可快速精准地进行功率曲线测试等优点。本文测试采用的地面式激光雷达测风仪，其主要参数见表1。

表1 激光雷达测风仪主要参数［6］

1.3 功率曲线的标幺化处理

标幺值是电力系统中常用的数值标记方法，表示各物理量和参数的相对值，最大优点是易于对结果进行分析比较。由于不同型号风机的功率不尽相同，故较难进行对比分析；若将不同型号风机的功率进行标幺化处理，可非常直观地进行功率曲线对比分析。标幺值的计算公式如下

式中：S为实际值；Sb为基准值；S*为标幺值。

1.4 激光雷达测风仪应用于不同型号风机功率曲线的测试

测试风电场位于安徽省无为县，该风电场分为2期工程，共有2种不同型号的风机。因二期增容工程的工作需要，需对一、二期风机进行功率曲线对比，为新建设的风电工程风机选型提供数据支撑。一期和二期风机参数见表2。

表2 一期、二期风电场风机主要参数

参考IEC 61400-12-1—2015标准进行计算并结合现场踏勘，确定一期#15风机、二期#22风机为测试机组。将一台激光雷达测风仪放置于#15风机北360°，距离风机2D1（222m，D1为#15风机叶轮直径）距离处；设置测量高度为#15风机的轮毂高度。将另一台激光雷达测风仪放置于#22风机北351°，距离风机2D2（220m，D2为#22风机叶轮直径）距离处；设置测量高度为#22风机的轮毂高度。激光雷达测风仪现场布置如图1所示。

图1 激光雷达测风仪现场布置图

本次测试中激光雷达测风仪测试周期为2015年6月21日至8月25日，采样率为10次／min。

2 试验结果分析

2.1 一期风机实测功率曲线

试验中发现一期、二期风机所测得的湍流强度在时间维度上变化较大，为更精确地进行对比，一期和二期风机实测数据所取湍流强度均为0.10～0.12。通过计算，可得到一期#15风机实测功率数据，见表3。

2.2 二期风机实测功率曲线

同样按照上述方法得到二期#22风机实测功率数据，见表4。

表3 一期#15风机实测功率曲线

表4 二期#22风机实测功率曲线

2.3 一期和二期风机功率曲线对比

由于一期、二期风机额定功率不同，本文将一期、二期风机功率曲线中的功率进行标幺化处理，得到标幺化后的功率值，见表5。

表5 #15，#22风机功率标幺值

将上表绘制成图，如图2所示。

图2 #15，#22风机功率标幺值对比

由图2可知，将功率标幺化处理后，二期#22风机在2～5m／s和10m／s以上风速段的功率曲线与一期#15风机功率曲线差异较小；5～10m／s风速段内，二期#22风机功率曲线优于一期#15风机。由于本次测试的结果可以直观地进行对比，故不做AEP对比，AEP计算方法可参考IEC 61400-12-1—2015标准。