基于激光雷达测风仪的风机功率曲线对比研究及应用研究

基于激光雷达测风仪的风机功率曲线对比研究及应用研究

吴玉华

江西大唐国际新能源有限公司 江西南昌 330000

摘 要 风电属于开发新能源当中最具规模化、技术成熟化、发展前景优良的一种发电方式。功率曲线可实现对机组特性直观反映，测定分析功率曲线属于风电场广大运营商重点关注内容。伴随风机装机实际容量持续增大，主流的风机单机实际容量也不断增长，对风机功率相应曲线测定分析提出更高要求。故本文主围绕着以激光雷达的测风仪为基础测定风机功率相应曲线开展对比分析及探讨。本次课题研究可谓是运用到各种学科方法、基础理论及成果，并从整体入手综合研究本课题，以保证本次课题研究的客观性及精准性，期望可以为后续更多技术工作者和研究学者对此类课题的实践研究提供有价值的指导或者参考。

关键词：风机；测风仪；激光雷达；功率曲线；应用；

前言

伴随我国风电持续发展，风电机组具体种类、型号逐步增加，风电场国内运营商持续增加对风电机组的功率特性相关测定需求。但机组功率传统曲线测试法往往会受地形以及测风设备相关条件限制，规范化、准确性以及低成本测定复杂地形环境当中风机性能有着一定难度性。故对比分析以激光雷达的测风仪为基础测定风机功率相应曲线，对于今后更为直观且高精度测定分析风机功率相应曲线来说，现实意义和价值较为突出。

1. 概述激光雷达专用测风仪

所谓激光雷达专用测风仪，即以光多普勒的频移为基础原理，经对空气当中光波反射遇到伴随风所运动气溶性胶粒子而产生相应频率变化后获取风向以及风速信息的有效测定，对特定高度矢量风向、风速数据实施计算分析，优势特点集中表现为测定功率曲线操作精准性、快速性、较为广泛的测定范围、高精度化测定等等，多选定地面类型激光雷达专用测风仪，测定以及对比分析风机功率相应曲线^[1]。

2. 试验测试

2.1 测试风机基本功率特性方法

依照着IEC现行标准规定以及各项要求，经测试分析所获取相应功率曲线属于机组标准化的功率曲线，即为风机机组动态化的功率曲线。测试试验分析整个过程当中，需较长时间采集机组总体运行状态以及周边气象动态变化情况相关数据信息。处于合理化风向扇区范围，所需记录数据信息主要包含着持续10 min范围平均的功率、风向、风速、平均，还包含着轮毅高度之下气温、气压，特殊情况之下还需结合所采集获取湿度数据修正处理空气密度，借助区间分析法，把相应功率曲线绘制出来。IEC现行标准规定以及各项要求当中，风机机组功率基本特性曲线测定务必将测风塔确立起来，且需把湿度、温度、气压等相应传感装置、风杯风速计相应设施设备均布设好。结合湿度、气压、气温相关数据有效修正空气密度。布设测风塔期间，需确保布设位置科学合理。测风塔具体位置和风机机组相互间距离应当是待测定风机机组的风轮直径约2~4倍左右，测风塔务必处于所布设测量扇区范围当中^[2]。在风电机组处于主风向上位置2.5倍风轮直径，为测风塔布设最佳位置。依照着IEC现行标准规定以及各项要求，测风系统装置和所有气象装置布设、记录法有效运用下所获取相应功率曲线应有一定的精准度。但因测风塔始终存在着如实际布设时间长，较长测试周期，且不便于后续维护相关缺陷问题。故本文提出以激光雷达专用测风仪为基础代替测风塔测定独分析功率特性基本曲线方法。

2.2 标幺处理功率曲线

在一定程度上，标幺值属于电力系统内部数值标记常用的一种手段，用于点各个物理量以及参数实际相对值，便于直观对比分析相关结果。因型号不同风机功率有差异性存在，对比分析有着一定难度系数。如果想更好地标幺处理型号不同风机功率，直观性对比分析功率曲线，则所需参值标幺值列式即为：S^*=S/S_b，在该列式当中，S^*代表着表幺值，S_b代表基准值，S代表实测值^[3]。

2.3 复杂地形环境当中激光雷达专用测风仪之下风机机组功率基本特性测试

此次测试场区属于温带大陆的季风性气候，该地区四季分明，以西北风为主风向。年均气温为5.8℃，90~140天的无霜期。年降水最多564.3 mm，年降水最少269.4 mm。每年＞8级大风日数约40天。此次测试场区高度为70m年均的风速7.7 m/s，此次测试时间是2019年2月～2019年10月。计算分析过后确定此处地形与IEC现行标准规定以及要求相吻合。此次布设测风设备过程即为：测试分析过程当中，风电场以西北345°为主风向，激光雷达专用测风仪布设至WT20西北的345°处，选定英国的ZE-PHIR公司所生产，4. 3 350. 10. 0型号激光雷达专用测风仪，风速测定精度0. 2%，风向0.500测定精度，同等方向和风电机组相距232.5 m位置布设测风塔，风速测定精度0.2%，风向0. 50测定精度，气温传感装置精度0.5℃，气压传感装置精度0.02mbn。结合IEC现行标准规定以及各项要求扇区算方，以激光雷达专用测风仪下地理位置，确定测试扇区308.9°~28.9°范围。以测风塔所在地理位置，确定测试扇区范围是324.6°~32.2°。为确保测试最终结果可对比性优良，测量数据最终选定308.9°~28.9°扇区。

2.4 结果分析

1）在一期～二风机的功率曲线实测层面

经此次试验测定可了解到，一期～二风机实际所测得相应湍流强度处于时间维度层面呈较大变化，为确保对比分析更具精准化，一期～二风机的具体测定数据当中，湍流强度即0.10~0.12。计算分析过后获取一期#15与二期#22的风机功率实测数据，详见表1~2。

表1一期#15的风机功率实测数据

表2 一期#15与二期#22的风机功率实测数据

2）在对比分析一期～二风机的功率曲线层面

因一～二期风机为同等额定功率，标幺处理此次一期～二期风机基本功率曲线当中功率进行，获取标幺化过后相应功率值，功率经相应标幺处理过后，如图1所示，一期#15与二期#22的风机功率处于2~5m/s、＞10m/s风速段呈较小曲线差异；风速段为5~10m/s条件下，相对比一期#15的风机，二期#22的风机基本功率曲线占据一定优势，此次测试分析结果能够实现对比分析风机功率相应曲线有着良好直观性、可靠性。

图1 对比分析一期#15与二期#22的风机功率两者标幺值

3. 结语

综上所述，风机功率的曲线测定在评估风机性能、质结束保之前验收以及健康运行当中应用的相对广泛，但复杂地形环境当中规范化、准确性以及低成本测定风机性能往往难度系数高。此次以激光雷达的测风仪为基础，依照着IEC现行标准规定以及各项要求，测定对比分析风机功率相应曲线整个过程直观、精准、高效且规范，所获取测量数据更为可靠真实，不仅能够为风电场及整个机组实现高效选型优化提供关键性的数据支撑。同时，大幅缩短安装设备周期，对设备后期维护也提供便利条件，对风电机组的功率曲线有效测试技术持续进步发展以及广泛化应用研究来说有着促进作用。

参考文献

[1] 梁志, PaulMazoyer. 风电场后市场领域中测风激光雷达在功率曲线测试方向上的应用综述与案例讨论[C].中国风电后市场交流合作大会. 2019，12（018）：215-216.

[2] 申璞. 基于等效风轮风速的风电机组功率曲线测试分析[J]. 东北电力技术, 2020, 41(015):298-301.

[3] 曹松青、郝万君、王昊、孙志辉、周嘉玉. 基于激光雷达-Armax的风机轮毂处有效风速预测[J]. 激光与光电子学进展.2020, 57(017):228-230.