基于激光雷达的风力机偏航误差纠正策略

基于激光雷达的风力机偏航误差纠正策略

夏子越

(深能南京能源控股有限公司江苏南京210000)

摘要：风能的广泛分布，可重复利用等特点，已经成为最具经济性和实用性的可再生能源。近些年，风电产业发展迅速，装机容量的不断增加，风电机组的优化运行成为现阶段研究的重点目标，优化运行的目的是提高风力机的输出功率和降低部件载荷，从而达到提高机组的经济性的目的。在优化运行的方法中，提高机组偏航控制精度成为人们关注的重点。风力机在实际运行过程中，依靠测风仪测量的风数据进行偏航控制。由于受到风力机尾流的影响，风向仪测量的风数据与实际来流相比，二者之间存在较大偏差。偏差的存在将对机组的偏航精准度产生影响。

关键词：风力机；激光雷达；偏航；功率

引言

在分析了现有测风系统不足的基础上，通过风洞实验验证了不同入射角来流风速对风速仪测风的影响，证明了现有风速测量的不准确性。在此基础上提出了激光雷达风轮前方测风系统，根据电量损失的百分比和偏航误差的余弦平方关系曲线，通过在风电场安装激光雷达，收集激光雷达和现有测风系统(机舱后方气象架和测风塔)的风况数据，对数据进行相关性及拟合分析，得出现有测风系统所测量风向的偏差值。通过在人机界面(HMI)中修正此偏差值可以减少功率损失。

1现有测风系统的不足

当前，风力机的测风系统一般安装在风轮后方，即机舱尾部的气象架上，可选用的主要形式为机械式或者超声波风速风向测量装置。风力机在实际运行过程中，风轮旋转产生的空气扰动涡流和机舱外形产生的绕流将对测风系统测量的风速和风向的准确性产生影响，从而影响主控系统输入数据的准确性。其中，若风速仪测量风速的不准确，将影响风力机的正常风速下的运行范围(即逻辑判断用切入和切出风速);而风向仪测量风向的不准确将影响到风轮正对风向(偏航对风);进而对机组的发电量产生影响。风力机偏航逻辑中使用的实时风速和风向是由安装在风轮后方气象架上的风速风向计提供的，偏差的存在将对控制系统的精准度产生影响。因此，采用风洞实验的方法研究在不同来流风速下，风速计在不同入射倾角下测量准确性的影响。在测量过程中，将风速计固定在风洞中，尽可能多地测量不同倾斜角度下的数据(相较于垂直安装)，用来模拟风轮尾流风中扰流和机舱产生的绕流对现有测风系统的影响，从而验证风速计的余弦特性.

1.1风速计特性测试方案

(1)风动实验中，改变来流的入流角存在不变，因此采用改变风速仪的倾斜角度仪达到改变入流角的目的。(2)风速仪测量倾斜角度为－45°～+45°，在实验中观察孔内为所测试风速计，虽然在实际操作中不能实现自动倾角的变化，但保持了角度间隔在5°或者更小，从而保证测试结果可信度与测试结果的备连续性。(3)实验中，分别测量了风速在5、8和11m/s三种风况下，风速仪测量倾斜角度变化时，测量的风速值。在测试过程中保持每种风速一致，在三种风况测量完成后，重复一次8m/s的实验。对比两次测试结果，分析实验结果的准确性。(4)实验过程中采用多点平均法，对数据进行采集。

1.2实验结果分析

通过对实验数据采集，将不同入流角下的风速仪测量的风速值与来流风速之间进行比值处理，得到二者之间的相对风速，并绘制入流角度与相对风速之间的关系曲线，由于其变化形式与余弦特性相似，因此被称为风速计余弦特性曲线。在8m/s风速下的两次测量的结果一致性较好，保证了每次实验的准确性。在此基础上通过对几次测量结果的对比分析后可知，风速仪在不同风速、不同倾斜角度情况下的变化趋势为:在水平入流情况下，测试结果一致性较好，而其余倾斜角度下存在不同程度的波动，当倾斜角度负方向偏转时，变化过程为减小→增大→再减小;当倾斜角度正方向偏转时，变化为先增加后减小，并且比负方向时的变化幅度小。即负向倾斜角情况下的变化幅度大于正向，并且，负向一般也是风力机实际运行过程中，实际来流的入流角度。

2风速仪和风向仪旋转域设定

风速仪和风向仪绕旋转轴的转动惯量可以在给定材料属性后，通过AUTO-CAD软件计算得到。通过计算，风速仪对旋转轴的转动惯量为：8.679x10-5kg.m2，风向仪对旋转轴的转动惯量为：4.446x10-5kg.m2，同时在计算建立新的风速仪和风向仪旋转坐标系，并对二者的自由度进行约束，限制只有绕自身所在坐标系Y轴（旋转轴）方向的转动，同时设置刚体的初始时刻为静止状态，各参数为0。风速仪和风向仪旋转域设定：在定义好的刚体参数后，在CFX前处理中插入子域（Subdomain），子域为风速仪和风向仪所在的区间，计算中，风速仪和风向仪定义为刚体。且与设定的旋转区域保持相对静止，故风速仪和风向仪计算域内的网格的运动方式与刚体运动方式相同，同时限制风速仪和风向仪的旋转域只有轴向旋转，没有平行移动。

3自动偏航控制系统参数优化

3.1偏航控制区间划分方案

当前风场同型机组一般都指定相同的偏航偏差阈值和延迟时间，风速分区界限也一般为某经验风速值或额定风速值，分界标准未考虑不同机组的个体差异，针对性不强且缺乏理论依据，影响风电机组的疲劳性能和发电量。本文基于单台机组SCADA数据获得风速概率分布曲线，通过识别概率曲线“峰值”对应的风速Vm，以Vm为节点可将额定风速Ve以下风速区间分成2个区间，如图：

在第一区间内，由于风速较低，偏航偏差对机组总发电量的影响较小，因而可取相对较大的偏航偏差阈值和较长的延迟时间；而第二区间内风速相对较高，风向的采样精度也较高，同时风机整个系统由侧向力作用造成的振动也较大，应取相对较小的偏航偏差阈值和较短的延迟时间，来提高对风精度，从而提高发电量；在额定风速以上时，机组通过变桨距控制能够实现恒功率输出，可适当降低偏航控制的精度来减轻变桨负担，同时也可减少偏航次数。

3.2确定偏航偏差阈值和延迟时间寻优范围

BCC算法是一种新的从生物行为中取得灵感的函数优化算法，它同时使用单个细菌在引诱剂环境下的应激反应和细菌群体间的位置信息的交互来进行函数优化采用BCC算法对风电机组偏航控制参数进行优化，在优化前需要确定参数的寻优范围，即解的可行域，以用于初始群体的生成。本文首先根据SCADA数据在第一、三个区间绘制形如图（第一区间）的偏航误差概率密度曲线，并按置信度95%求出相应置信区间[θ1min，θ1max]、[θ3min，θ3max]；然后令第一区间新的偏航偏差阈值范围为[θL，θ1max]，θL为机组原低风速段偏航偏差阈值。

结语

通过风速仪风动实验及采用激光雷达现场测风修正实验的研究方法，对激光雷达测风在纠正偏航误差策略在风力机上的应用进行了分析，得出如下结论。(1)通过风速仪风动实验，给出了不同风速倾斜角对现有测风系统的影响。分析出了风速仪在实际运行中的误差。(2)提出了激光雷达出测风系统，并给出了偏航误差和电量损失百分比的余弦平方关系曲线。(3)通过激光雷达测风系统进行现场实验后发现，通过数据的相关性等分析，求取原有风向仪的偏差值，并给出了修正方法。修正传统偏航误差对功率的影响，提高机组的功率输出。

参考文献:

[1]张伟，雷阳，张中泉．风电机组偏航校正分析方法研究．华电技术，2017;39(4):71—73，80

[2]马东．激光雷达测风仪在风电机组偏航误差测试中的应用研究．应用能源技术，2015;(11):5—7