基于機載式激光雷達的偏航校正功率曲線優化探討

章立棟

文大光電科技（上海）有限公司 上海 200131

引言

大自然的風向實時變化的，風力發電機屬于大慣性設備以及偏航對風速度的限制，控制系統并不要求實時跟隨風向變化，只需要保持風機偏航誤差在設定范圍內運行即可，因此本文是討論穩態運行的偏航誤差。偏航誤差引起一系列的問題，比如功率曲線不達標，尾流的損失，系統過載等等。文中采用機載式多普勒激光雷達檢測偏航誤差，通過交替校正的方式，評估偏航誤差對功率曲線的影響，減少評估計算的不確定性。

1 偏航誤差產生的原因和功率損失

機械式或者超聲波式風向儀都安裝的風力發電機機艙尾部的上方，受到風輪順時針方向旋轉的擾動，測量的風向與前方實際風向存在偏差；其次在安裝過程中，非常容易滑動風向標的零刻度線；再次，風機輪轂罩，機艙罩以及微觀選址對來流的影響。因此傳統的風向儀不能正確測量風機偏航誤差。

穩態風速下的風機功率P計算如公式(1)所示，其中ρ空氣密度，A風輪面積，V穩態風速，C p風能利用系數。其中風速V方向正對風輪平面軸線，夾角為0度。

2 測量原理

機載式多普勒激光測風雷達安裝在機艙罩頂部的后方，測量風輪前方氣溶膠微粒相對于激光束方向的運動速度，然后通過矢量合成風速和風向，圖1是以丹麥Windar Photonics A/S公司的2光束產品WindEYE[2]為例介紹偏航誤差的測量原理。

圖1 WindEYE風速風向重構

設定風輪前方是均勻的來流風速V，與風輪軸線的夾角為Φ，可以分解為切向風速U和軸向風速W，光束半開角為α＝30°，左右光束的測量風速分別為V a和V b，以順時針方向為風向的正方向，來流風速V方向與機艙的夾角為Φ＞0，則

通過公式(2)，(3)可以求出軸向和切向風速分量，并重構來流風速和風向:

3 校正方法

偏航誤差校正可以分為靜態和動態校正。靜態校正是用激光雷達檢測到的偏航誤差θ去修改主控系統為風向標初始安裝預留的θoffset參數，讓θoffset＝θ實現。校正完畢后拆除激光雷達，挪到下一臺風機再使用，提高激光雷達的使用效率。動態校正是始終需要雷達集成到風機偏航控制系統中，實現對風控制。

由于激光雷達測風設備價格較高，不同風機存在的偏航誤差情況也各不相同，采用的校正方法有所不同，具體情況處理如下:

情況1:平均值小，離散性大，采用動態校正。

情況2:平均值和離散性都大，采用動態校正，靜態校正效果不夠好。

情況3:平均值大，離散性小，采用靜態校正。

情況4:平均值和離散性都小，無需校正。

針對風電場業主無權限修改偏航控制邏輯，Wind EYE產品[2]的Wind TIMIZER模塊可以無縫接入風機主控系統，自動切換輸入主控系統的信號為風速風向儀或激光雷達測風信號，并通過內部算法優化偏航誤差的平均值和離散性。

4 交替校正

國內幾乎所有風電場業主都要求根據SCADA系統記錄的功率曲線評估偏航誤差校正后的效果。按照IEC61400－12－2標準[3]進行功率曲線驗證，其不確定性超過15%[1]，采用前測量后校正的方式驗證功率曲線優化效果，結果容易淹沒在15%的不確定性誤差范圍內。為盡可能減少測量不確定性，根據Van Der Hoven風速功率譜特性[4]，風速10分鐘至2小時期間的頻譜基本是水平分布，所以采用間隔一個小時交替校正的方法進行驗證，圖2的 Wind TIMIZER模塊相當于一個軟件開關，可自動切換。

圖2 Wind TIMIZER模塊接線示意圖

具體交替校正項目數據處理過程如下:

(1)按照本文第2節的方法計算10min的平均數據，數據項包括時間戳，雷達風速，偏航誤差，校正狀態。

(2)與SCADA數據進行時間同步，刪除風機停機和尾流扇區的數據項。

(3)刪除每次切換后的第一個10min數據。

(4)由校正狀態將數據分為檢測組和校正組。

(5)根據IEC61400－12－2標準[3]的Bin方法，計算檢測和校正組功率曲線 {VBin，P Bin} 。

(6)接合測試風電場的威布爾分布 {PDF Bin}，按照公式(8)計算年發電量AEP，公式(9)計算校正后的年發電量提升效果η。

V cut－in切入風速，V cut－out切出風速，P Bin，i第i個V Bin風速對應的功率，PDF Bin，i第i個V Bin風速對應的威布爾分布概率。

AEP校正和AEP檢測分別是校正和檢測組的年發電量。

5 實際案例

文大光電科技(上海)有限公司在江蘇國家電投新能源公司下屬的7個風電場開展為期一年的偏航校正業務，其中包括3種地理環境，3個廠家的6種型號的風機產品，安裝14臺Wind EYE激光雷達設備，通過Wind TIMIZER模塊進行動態偏航校正。2020年9月至12月，雷達安裝，調試，收集數據。2021年1月至8月，開啟間隔一個小時的交替校正，驗證功率曲線優化效果。2021年9月開始，激活全時段動態校正功能。

風機按照額定功率與風輪直徑分類，測試結果如表1所示，包括基于雷達風速和風速儀風速進行年發電量AEP的評估結果。

表1 交替偏航誤差動態校正結果數據對比

(*)7#和9#風機為本項目前就完成靜態偏航校正。

根據表1可以得出如下結論:

a)所有風機的平均偏航誤差由校正前的5.6度降為1.0度，離散性也由3.3度降為2.7度。Wind TIMIZER模塊確實在沒有修改主控偏航控制邏輯或者參數的前提下校正風機的偏航誤差。

b)若以3度偏航誤差角為界，超過60%的風機需要校正。若包括兩臺事先做過靜態校正的風機，則超過70%。

c)同型號風機的平均偏航誤差并不一樣。

d)陸上風場的不同風機的平均偏航誤差離散性很大。

e)海上風機動態校正后離散性明顯降低，年發電量提升效果明顯。

f)序號5～12風機屬于同一廠家，初始偏航誤差和離散性各不相同，校正后，偏航誤差都得到優化，但是離散性都沒有明顯變化。原因是這4種機組采用相同的偏航控制策略。

g)序號13，14機組與序號5～12機組不是同廠家的機型產品，但是校正后偏航離散性結果類似，故推斷其偏航控制策略也是相近的。

h)若動態校正沒有使其離散性得到明顯改善，則只需要靜態校正即可。

i)按照公式(8)(9)分別計算基于雷達與風速儀風速的年發電量提升百分比，差異很大。原因詳見本文6.1節內容。

6 問題討論

6.1 機艙風速儀風速測量變化 14臺測試風機動態偏航校正前后，機艙風速儀的測量值與雷達風速測量值之間的關系都發生不同程度的變化。按照最小二乘法擬合機艙傳遞函數y＝ax＋b，x為機艙風速儀測量值，y為雷達測量值，校正后所有測試風機的斜率a都變大。盡管機型和安裝地點不同，但趨勢一致，偏航誤差越大，校正后機艙風速儀風速變小就越多。

由于激光雷達在偏航校正前后，測量的都是風輪前方的風速，而機艙風速儀測量值發生變化，故建議采用雷達測量風速評估偏航校正前后的功率曲線優化和發電量提升，減少不確定性。

6.2 偏航誤差與年發電量關系 圖3是14臺測試風機動態偏航校正后年發電量提升比例與不同的余弦關系，在穩態偏航誤差絕對值小于12度的時候，不管采用雷達測量風速，還是采用風速儀風速進行年發電量提升評估，其結果都是大于[1－cos(θ)3]關系。在實際項目中，檢測到穩態偏航誤差后，可以直接采用 [1－cos(θ)3]關系粗略估計潛在的年發電量提升，相比Ris?－R－1330(EN)[1]報告中指出的 [1－(cosθ)2]提升關系，采用Wind TIMIZER動態偏航校正的效果更好。

圖3 動態偏航誤差與年發電量提升關系

7 總結

激光雷達檢測風力發電機的偏航誤差是真實存在的；通過動態偏航校正，能夠優化風機的偏航誤差值；同時優化功率曲線，提高年發電量；采用交替校正的方式，所有測試風機都得到較好的評估結果。

不同風機進行動態偏航校正，其偏航離散性的改變有不同的表現，需要進一步協同風機主控策略廠家，進行深入探討。