基于激光雷達測風儀的復雜地形風電機組自由流風速測試方法研究

張偉，雷陽，杜成榮

（1.華電電力科學研究院，杭州 310030；2.浙江運達風電股份有限公司，杭州 310026）

基于激光雷達測風儀的復雜地形風電機組自由流風速測試方法研究

張偉1，雷陽1，杜成榮2

（1.華電電力科學研究院，杭州 310030；2.浙江運達風電股份有限公司，杭州 310026）

自由流風速是風電機組功率曲線評估、出質保驗收和后期健康運行等環節中的重要參數。傳統方法是利用測風塔進行測試，存在測試周期長、測試成本高和施工難度大等缺點，特別在復雜地形中無法進行有效的測試。參考IEC 61400-12-1—2015標準，利用測量精度高、測量范圍廣和安裝方便的激光雷達測風儀制定一套適合復雜地形風電機組自由流風速的測試方法。利用機載式雷達測風儀對復雜地形自由流風速進行不同距離的測試，根據分象限的風速變化趨勢可判斷自由流風速，用地面式激光雷達測風儀可驗證數據的準確性和可信度。依托云南某風電場的實際案例進行試驗，試驗結果顯示本文所采用的測試方法是可行的。

自由流風速；復雜地形；激光雷達測風儀；風電機組；測試方法

0 引言

目前，全球逐年變暖、環境問題日趨嚴重，風能作為一種清潔能源，已被世界上大部分國家所重視，尤其是德國、美國和丹麥等發達國家都在大力發展［1-2］。我國風力發電起步較晚，但發展迅速。2014年，我國風電行業繼續保持強勁的發展勢頭，全年風電新裝機容量19.81 GW，創歷史新高；2014年我國風電累計并網裝機容量達96.37GW，占全部發電裝機容量的7%，占全球風電裝機的27%［3］。風電飛快發展的同時，各類問題也逐步凸顯。機組的實際出力性能與理論設計存在一定差距，而評估風電機組出力性能的最有效方法是對機組的功率曲線進行測試、分析。

風電機組功率曲線的測試是機組型式認證中極為重要的環節；功率曲線測試在機組性能評估、投產驗收、出質保驗收和后期健康運行等方面均扮演著重要角色［4-5］。功率曲線測試包含風速、功率和空氣密度等的測試，測試的關鍵在于如何精準地對自由流風速進行測試，核心在于如何解決復雜地形中自由流風速的測試問題。

目前，國內外相關研究機構對風電機組自由流風速測試的通行方法是依據IEC 61400-12-1—2015［4］等相關標準并利用測風塔進行測試［6-7］。利用測風塔進行風電機組自由流風速測試存在以下問題：（1）采用風杯式風速計的測風塔測量精度低，不滿足更高規格的測試要求；（2）測風塔建造速度慢導致測試周期長；（3）測風塔一旦建好，不易移動，導致使用效率低；（4）當地形復雜時，測風塔的施工難度大；（5）多數復雜地形不滿足IEC 61400-12-1—2015等相關標準，需進行地形標定；地形標定時需進行機組移位，項目實施難度大。故制定一套測試精度高、測試周期短、測試范圍廣、能適合復雜地形的自由流風速測試方法顯得格外重要。

1 自由流風速的測試方法

1.1 基于IEC標準的自由流風速測試方法

通常，自由流風速指的是自然條件下未被干擾的空氣流動速度。針對風電機組功率曲線中自由流風速難以直接測試的問題，國外編寫了IEC 61400-12-1—2015等相關標準，其基本過程是：（1）對測試場地進行評估并處理；（2）扇區排除并利用測風塔進行風速測量；（3）數據采集、處理，通過計算、分析得出相關結果。已投運的平坦地形風電場的測試條件符合IEC 61400-12-1—2015標準，但多數復雜地形風電場的測試條件不滿足IEC標準。若地形不滿足要求，則被測風電機組需進行移位處理，在實際應用中較難開展測試、評估工作。

影響自由流風速測試的關鍵因素有：（1）地形、地貌的影響。風電機組周圍的地形、地貌存在差異，不滿足IEC 61400-12-1—2015標準。（2）障礙物、其他風電機組對測試的影響。測試場地所處的環境一般較為復雜，各類障礙物或風電機組均會使測試存在不同程度的誤差。（3）測試數據的采集和

處理存在一定的誤差。

1.2 復雜地形自由流風速的測試方法

針對自由流風速在復雜地形中難以測試的問題，本文依據IEC 61400-12-1—2015標準，利用激光雷達測風儀對風電機組自由流風速進行測試，可有效解決問題。

1.2.1 機組選擇和地形評估

被測機組選取原則有：（1）在風場邊緣主風向上風向的位置；（2）被測機組在測試期間故障率較少；（3）葉片不應有砂眼等缺陷；（4）風電機組其他部件完好，運行穩定、可靠等。

被測機組所處的地形變化可能會引起氣流畸變，故需對測試現場進行評估。具體做法是利用風電場測繪的地形圖，依據IEC 61400-12-1—2015標準附錄的要求進行地形評估。

1.2.2 激光雷達測風儀

激光雷達測風儀［8-9］是基于光的多普勒頻移原理進行風速測量，可全方位精準測量風速（可測量風輪等效風速）、風向、大氣溫度、大氣壓力和相對濕度等多元信息。激光雷達測風儀一般分為地面式和機載式2種，地面式可測量不同高度的風速，機載式可測量不同距離的風速，激光雷達測風儀主要參數見表1。

表1 激光雷達測風儀的主要參數［10］

1.2.3 數據采集和處理

激光雷達測風儀測試數據可通過設定的郵箱進行收集，收集后的數據進行處理時應剔除以下數據：（1）風速以外的其他外部條件超出風電機組的運行范圍；（2）因故障導致風電機組停機；（3）在試驗中或維護運行中人工停機；（4）試驗儀器故障或降級；（5）風向在場地標定有效扇區之外；（6）機載式激光雷達測風儀受葉輪旋轉影響的數據。

本文參考IEC 61400-12-1—2015相關標準，利用地面式激光雷達測風儀和機載式激光雷達測風儀進行不同高度和不同距離風速的測量，并依托實際案例經過相關性分析、對比分析以及分象限分析等制定一套適合復雜地形中自由流風速的測試方法。

2 試驗

2.1 測試機組選擇和場地評估

本次復雜地形自由流風速測試的試驗場區位于云南省蒙自市某風電場，該風電場場區為一片高臺地，臺地以西較為低矮開闊；場區內生長的植物以低矮灌木、草類、蕨類植物為主；海拔1 980～2 300m；風場主風向為西北風。根據第1.2.1節初步選取#26風電機組為被測機組。被測風電機組為1.5 MW、3葉片、水平軸、上風向、變速、變槳雙饋型，其主要參數見表2。被測機組周圍環境地形如圖1所示。

表2 風電機組的主要參數

圖1 被測機組周圍環境地形

評估計算方法參考IEC 61400-12-1—2015標準。經計算，地形不符合IEC 61400-12-1—2015標準規定，屬于復雜地形；通過計算和現場踏勘發現，#26風電機組285°～320°方向地形較為平坦，初步認為該方向的風速適合本次測試。

2.2 激光雷達測風儀安裝

本次利用地面式和機載式激光雷達測風儀進行自由流風速的測試，地面式和機載式激光雷達測風儀現場布置如圖2所示。

圖2 激光雷達測風儀現場布置

將地面式激光雷達測風儀放置于#26風電機組西北303°，距離風電機組2d（164m）距離處；設置測量高度為10，24，40，55，65（輪轂高度），80，90，106，120m。將機載式激光雷達測風儀安裝于#26風電機組機艙上，距離機艙距離1.5m，距離葉輪中心5 m；測量距離為10，45，82，123，164（2d），185，225，246m。基于地面式和機載式激光雷達測風儀的測試示意圖如圖3所示。

2.3 試驗數據采集及處理

數據采集時間為2015-04-02—07-01，激光雷達測風儀采集到的數據實時保存至激光雷達系統內部，通過專業軟件可下載及采集。

數據采集后對數據進行處理，剔除規則見第1.2.3節；剔除數據后選取風向在285°～320°內的數據即為試驗所測的合格數據。

3 試驗結果分析

3.1 基于地面式激光雷達測風儀風速分析

地面式激光雷達測風儀的試驗結果見表3和圖4。將地面式激光雷達測風儀所測不同高度層的風速進行相關性分析，結果見表4。

由表4可知，不同高度層風速的相關性較好，隨著測量高度增大，風速也隨之增大。

圖3 地面式和機載式激光雷達測風儀測試示意

圖4 地面式激光雷達測風儀所測不同高度層風速的日變化趨勢

表3 不同高度層的平均風速

表4 不同高度層風速的相關性系數值

3.2 基于機載式激光雷達測風儀風速分析

機載式激光雷達測風儀的試驗結果見表5和圖5。將機載式激光雷達測風儀所測不同距離層的風速進行相關性分析，結果見表6。

由表6可知，不同距離層風速的相關性較好，機載式激光雷達測風儀距離#26風電機組123～246m內風速相差非常小，僅0.02m／s，當距離在1d以內時，隨著距離的縮近，風速衰減的程度增高。

3.3 測試場地自由流風速的確定

由表4和表6可知，地面式和機載式激光雷達測風儀所測不同高度或不同距離風速的相關性R2值均大于0.95，相關性較好，由此認為本次測試數據是可信的。

由表5可知，風吹向機組時，隨著距離的縮減，風速呈不變到衰減的趨勢；由于#26機組該方向的地形比較平坦，風速衰減可能是受風輪的影響，故可認為2d（164m）處的風速為#26機組的自由流風速。由表3和表5可知，地面式激光雷達測風儀距離#26風電機組2d、高度為65m輪轂高度的風速與機載式激光雷達測風儀所測相同點位的風速差異較小，僅為0.01m／s，驗證了地面式和機載式激光雷達測風儀的測量精度。

為進一步驗證數據的可信程度，將地面式和機載式激光雷達測風儀所測距離#26風電機組164m（2d），65m輪轂高度的數據進行相關性分析，如圖6所示。

在圖6中，地面式和機載式測風儀風速相關性R2值為0.98，相關性好。驗證了地面式和機載式激光雷達測風儀在方向285°～320°上，距離#26風電機組164m（2d），65m輪轂高度的風速數據可信。

由以上分析可知，認為在方向285°～320°上，距離#26風電機組164m（2d），65m輪轂高度的風速即為#26風電機組的自由流風速。

圖5 機載式激光雷達測風儀所測不同距離風速的日變化趨勢

圖6 地面式和機載式激光雷達測風儀風速相關性

表5 不同距離層的平均風速

表6 不同距離層風速的相關性系數值

綜上所述，使用機載式激光雷達測風儀進行自由流風速測試，通過合理測試距離的設置，根據風吹向機組時隨著距離的縮減，風速呈增大或不變到衰減的趨勢，可初步判定風速變化所處轉折點的風速即為自由流風速；利用地面式激光雷達測風儀可驗證該點風速是否為自由流風速。故利用激光雷達測風儀參考IEC 61400-12-1—2015等相關標準進行復雜地形自由流風速的測試方法是可行的。

4 結論

利用測風塔并依據IEC 61400-12-1—2015等相關標準的傳統方法進行風電機組自由流風速測試，存在測試周期長、測量精度一般、推行難度大等問題，針對該情況提出了基于激光雷達測風儀復雜地形下風電機組自由流風速的測試方法。依托云南某風電場通過場地評估進行象限選擇，利用地面式和機載式激光雷達測風儀分別測量不同高度和不同距離處的風速，經過數據采集和處理并對數據進行相關性分析、對比分析，分象限、分不同高度、不同距離進行分析，最后認為在方向285°～320°上，距離#26風電機組164m（2d），65m輪轂高度的風速即為#26風電機組的自由流風速。

雖然IEC 61400-12-1—2015等相關標準未提出采用激光雷達測風儀進行風電機組功率曲線或自由流風速的測試，但是通過本文的試驗證明：激光雷達測風儀技術可用于風電機組復雜地形自由流風速的測試。本文所述復雜地形自由流風速的判定方法是采用機載式激光雷達測風儀進行自由流風速測試，通過設置合理的測試距離，根據風吹向機組時隨著距離的縮減，風速呈增大或不變到衰減的趨勢，可初步判定風速變化所處轉折點的風速即為自由流風速；利用地面式激光雷達測風儀驗證了數據的準確性和可信度。利用基于激光雷達測風儀風電機組復雜地形自由流風速的測試方法，可精準實現對自由流風速的測試，不僅測試精度高、測試范圍廣、測試周期短、測試費用少，而且操作方便，可適用于復雜地形的測試，對促進我國風電行業性能評估和測試技術的進步具有積極意義。

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（本文責編：白銀雷）

TM 614

A

1674-1951（2016）12-0062-05

張偉（1981—），男，山東濟寧人，工程師，工學碩士，從事風電場設計、風資源分析、大數據分析、故障診斷技術等領域的研究工作（E-mail：wei-zhang＠chder.com）。

2016-09-08；

2016-11-30