基于激光雷达测风仪的MW级风电机组偏航优化控制方法

邵国策

摘要：激光雷达测风仪（lidar anemometer，下文简称 Lidar）不仅在风能资源测量中显现出了巨大优势，激光雷达测风技术的不断发展也为风电机组的智能化提供了更广阔的空间。将 Lidar应用于风电机组，进行风况的多参数准确测量和机组优化控制的研究。

关键词：激光雷达测风仪;风电机组;偏航优化;控制方法

前言

为了能通过短时安装激光雷达测风仪对传统的风向标测得偏航误差进行修正，提高风电机组的对风精度，根据激光雷达测 风仪的风向检测原理和实测数据的分析，总结了叶轮前方风向变化的规律，确定了要检测到不受机组干扰的风向的最佳检 测距离和检测光束的锥角;经过不同风速段的偏航误差特点分析，采用了分高、低两个风速段，用最小二乘法去拟合从本地 风向标到激光雷达测风仪的偏航误差传递函数的方法，并设计了偏航误差交替校正控制策略。

1、项目概述

选取3号机组为测试机组，在主导风向上地势相对平坦，且没有上游风机的尾流影响。机组额定功率 2500kW，叶轮直径为 121m，额定风速 10m/s（安装地空气密度下）。机组上安装了一台四光束激光雷达测风仪，可以同时采集前方50-200米十个不同距离的风况信息。因为在风电机组实际运行过程中，机组的效率、载荷与风向无关，影響机组性能的是偏航对风的误差。机舱上安装的测风仪，直接检测到的是机组的偏航误差，即测风仪参考零位线与风向的夹角。

2、检测原理

Lidar是基于对左右两侧光束方向检测位置处气流流速的大小，进行偏航误差计算的。但是，叶轮没对正风向、两个检测位置的实际风速不同这两个因素都会导致Vlos1和Vlos2的大小有差异。在后期的数据处理过程中，会一起影响机组偏航误差的计算。所以，Lidar不能有效区分机组的实际偏航误差和风速的水平切变。在上游地表粗糙度比较大，或者上游机组尾流影响严重的扇区，用Lidar的偏航误差检测结果进行偏航控制，可能会引入不确定性误差。本项目参考了风电机组功率特性测试标准IEC61400-12-1：2017[10]的规定，只有符合安装测风塔条件的扇区，才可以作为进行偏航校正有效数据采集的扇区。

3、偏航误差与传递函数分析

3.1处理数据

数据分别取自SCADA系统记录的机组本地测风仪测得的 10min 偏航误差和 Lidar 数据采集系统记录的10min偏航误差。无效测量数据会严重影响偏航误差的统计，进而影响拟合的传递函数的有效性，因此需要进行数据预处理，包括数据筛选和数据质量检查2个步骤。数据筛选：剔除风电机组偏航系统在“not active”状态下的数据;剔除在有效测量扇区之外的数据;剔除风速低于切入风速和高于额定风速的数据;剔除绝对值大于30°的数据。

数据的质量检查：确保测试信号在正常范围内且可利用;确保传感器正常运行;确保数据采集系统正常运行;激光测风仪测量数据有效率大于0.3。由于风向的畸变受风速影响较大，采用风速分区拟合的方式，分3～6.5m/s，6.5-10m/s两个区段，从切入风速（3m/s）到额定风速（10m/s）分区拟合传递函数。剔除所有无效数据后，保证在拟合的风速区段内，在[-10°～10°]的偏航误差范围内，每 0.5°区间至少有 5 个以上有效数据，以保证最终的拟合精度。

3.2分析偏航误差与传递函数

测试期间本地风向标的10min偏航误差测量结果平均值为0.11°，均方差为5.39°，说明机组在控制系统作用下能进行良好的风向跟踪，风向标安装的精度和机组的偏航控制策略满足要求。而Lidar的偏航误差检测结果均值为2.13°，均方差为4.92°。这主要是因为测试期间机组以本地风向标的检测输入作为偏航控制偏差，没有追踪Lidar测得的风向。二者平均值的偏差2.02°，即为本地测风仪受叶轮旋转的干扰而产生的测量偏差。

4、结果

利用中央监控系统的实时数据中“偏航电机工作时间”统计结果，采用校正控制之前2019年5月16日-6月15日偏航电机累计工作时间为38.3个小时;采用偏航校正控制之后2019年8月1日-8月30日偏航电机累计工作时间为32.5个小时。偏航电机的动作率由5.32%，降低为4.51%。这说明偏航系统的动作频率明显降低，这将有助于降低偏航系统的疲劳载荷，提高稳定性。

利用中央监控系统在上述校正前一个月和校正后一个月的10min数据，做出机组网侧功率的散点图，并求出每0.5m/s风速区间的功率均值。从散点图中可以看出：采取校正措施后，在相同风速下，网侧功率10min均值可以达到一个更高的输出。校正后的功率曲线要优于采取校正措施措施之前。根据功率曲线进行年发电量计算，结果表明：本测试项目采取交替校正的控制策略后年发电量可以提高1.87%。

5、结语

通过对Lidar的风向测量原理进行分析，得出了应用Lidar 的检测结果直接或间接进行偏航误差校正的局限性，提出只有在机组上游没有明显尾流，地表粗糙度比较小的情况下，才能得到高精度的检测结果。地形和上游风机尾流对Lidar风向检测结果的影响需要进一步研究。通过对叶轮前方的风向变化规律进行分析，发现要检测到不受干扰的自由流的风向进行偏航误差控制，测试点距叶轮的距离应大于1.5D，径向位置在3R/4～R之间为宜。设计了一套拟合偏航误差传递函数的方法和偏航误差校正交替控制策略。该方案只需经过短期安装Lidar，得到足够的测试数据，拟合出可信度较高的偏航误差传递函数，应用到设计出的控制策略中即可完成，无需增加硬件成本。经过实际测试表明，该方案可以降低机组偏航动作的频率，有助于提高机组的发电量，具有实际工程应用价值。

参考文献

[1] 杨伟新，宋鹏，白恺，等. 基于机舱式激光雷达测风仪的风电机组偏航控制偏差测试方法[J]. 华北电力技术，2016（7）：59-63.

[2] 赵飞，李岳，蔚步超，等. 尾流效应下偏航对风电机组功率的影响[J]. 电测与仪表，2020，57（9）：97-102.