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    測風激光雷達在風電行業應用現狀

    發布時間:2021-08-27   

    一、引言

    隨著測風激光雷達在風電行業多個場景多年的應用及研究,其對于風電行業不再是陌生的產品,風電相關工程師在進行工作時都會將測風激光雷達作為測風的重要工具選擇之一。得益于測風激光雷達廠商、風機主機廠商及風電業主的不懈努力,測風激光雷達的價格相比幾年前得到了大幅度地降低,這也促使測風激光雷達市場容量得到大幅度的提高。據不完全統計,2020年國內風電行業地基式測風激光雷達出貨量大于150,機艙式測風激光雷達出貨量接近一千臺,而在5年前,相應的數據分別為小于10臺和小于5。市場容量的增長優化了測風激光雷達的產業鏈及激光雷達廠家產品開發能力,這些改變將繼續反哺市場,測風激光雷達的價格在未來將會得到進一步的下探,這勢必形成一個良性的循環并有助于測風激光雷達在風電行業的“雙碳”目標中貢獻重要力量。

    測風激光雷達在風電場各個階段的應用

    QQ截圖20210827163618.jpg

    測風激光雷達目前市場上主要存在兩種技術路線,即脈沖相干探測和連續相干探測,應用形態包括地基式測風激光雷達、機艙式測風激光雷達及三維掃描雷達等,本文主要探討脈沖相干探測雷達在風電行業的應用。脈沖相干探測測風激光雷達測量原理為:激光器產生信號光通過光學天線和掃描機構發射到待測空氣中,與其中的氣溶膠顆粒作用產生包含其速度信息的后向散射信號。由多普勒原理可知,回波信號的多普勒頻移fd 與氣溶膠顆粒運動速度(即風速)成正比,因此光學天線接收到的后向散射信號通過和系統內光纖激光器產生的本振光拍頻和數字解調,即可處理得到徑向風速。掃描機構控制激光的發射方向、發射頻率及周期光束數量,進而構建出時間空間模型,在此模型下將周期內的徑向風速合成為目標風速。如Molas B300地基式測風激光雷達采用VAD掃描方式,通過4光束得到空間矢量風速,進而獲取水平風速風向及垂直風速。

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    Molas B300工作原理

    二、地基式測風激光雷達

    地基式測風激光雷達是在風電行業最早的應用形態,其出現取代了測風塔的部分市場彌補了部分測風塔無法完成的工作。相比于測風塔,測風激光雷達具有以下優點:

    量程廣:可測量300m甚至更高高度的風速,輕松覆蓋整個葉輪面。

    部署靈活:安裝靈活方便,可重復使用

    安裝快捷:一天完成所有安裝工作,當天即可獲取風速數據

    低征地風險:可隨時拆除或移點,當地居民易接受

    低安全風險:無須登高作業,無倒塌風險

    環境適應性強可在40~50℃環境下正常工作,無懼冰凍。

    隨著地基式測風激光雷達國際標準地建立IEC61400-12-1)、第三方權威機構的認證測試以及風電行業的大量應用及研究,其測量準確性得到業內的廣泛認可,越來越多的主機廠商、第三方機構及業主將其使用于風電場建設的各個階段,主要應用包括:風資源評估、功率曲線測試、風功率預測、載荷測試等。

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    Molas B300在德國DNVGL認證結果

    1) 風資源評估

    在風電場的宏觀選址階段,使用測風激光雷達進行短期測風可快速決策是否繼續進行該項目投資,用最經濟的手段節省時間成本并降低項目風險。在微觀選址階段,使用測風激光雷達短期測風結合測風塔數據可更精準模擬出整個風場的風資源情況,特別是對風機機位點的風資源補測,可有效避免單機組投資風險,精準計算發電收益并保證機組的安全特性。

    圖片3.png 

    資源評估

    隨著海上風電的快速發展,海上風資源評估成為行業內迫切需求,而傳統的海上測風塔存在造價昂貴、審批手續復雜、建設周期長等缺點,測風激光雷達測風已成為海上測風的首選。不同于陸上測風,激光雷達在海上測風需要有相應的物理載體,目前載體常見的有平臺及浮標兩種形式,其中平臺是指已存在的固定不動的載體如石油鉆井平臺、燈塔、升壓站等,海上平臺測風投資少但平臺資源可遇不可求,浮標作為載體(浮標雷達)成為目前海上測風的主流形式。IEAWind TCP TASK32正在制定浮標雷達相關標準,相關標準的推出將有助于浮標雷達的規范使用及相關技術的發展。而海洋風況作為國家較為重要的資源,其數據的安全可靠尤其重要,浮標雷達搭載的測風激光雷達國產化將成為發展的大趨勢。

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    海上平臺測風

    2) 功率曲線測試

    根據國際電工委員會頒布的風機功率曲線驗證標準IEC61400-12的規定,進行風機功率曲線的測量必須立測風塔,位置與發電機組的距離應該為風力發電機組風輪直徑D2~4,而且測風必須設在所選擇的測量扇區內。然而風場建設完畢后,原先的已建測風塔位置很難滿足功率曲線測試的要求,新建測風塔會存在諸多限制包括地形、征地、建設周期、價格等,這使得功率曲線測試實施變得較為困難。在2017年修訂的IEC61400-12標準中,將測風激光雷達列入可用于功率曲線測試的設備名單,由于測風激光雷達靈活部署特點使得功率曲線測試變成可輕松實施的工程,目前已經被DNVGL、Windguard等機構用于實際測試應用。

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    雷達用于功率曲線測試

    3) 風功率預測

    為保障電力系統安全穩定運行,落實國家可再生能源政策,規范風電并網調度運行管理,所有并網運行的風電場均應具備風電功率預測預報的能力,并按要求開展風電功率預測預報。風功率預測傳統測風方法是在風電場5km范圍內、不受風電場尾流影響且在風電場主導風向上修建測風塔。測風塔在冬季塔體結冰后,易發生倒塌事故,存在嚴重的安全隱患,且數據中斷后易造成電網考核。測風塔的建設還存在復雜的征地手續、建設周期長、費用高、難維護等特點。而激光雷達測風測量高度大、占地面積小、工期短、可靠性高,且無倒塌風險,激光雷達已逐漸顯現出在功率預測系統中的優勢?;诶走_小巧安全等特點,如條件允許,業主可選擇將雷達部署在升壓站內,無論是建設手續還是維護性都相比測風塔有著明顯的優勢,尤其是海上升壓站,使用激光雷達代替測風塔的經濟效益更加突出。

     

    功率預測雷達安裝于升壓站內

    、機艙式測風激光雷達

    不同于地基式測風激光雷達與測風塔的功能高度重疊,機艙式測風激光雷達在風電行業內屬于一種全新的應用,其可以測量風機葉片前方的風速情況而不受葉片擾流的影響,主要應用包括:前饋控制、偏航校正及功率曲線測試等。

    1) 前饋控制

    前饋控制為機艙雷達的主要應用,目前全球超過1500臺機組已將機艙雷達接入風機的控制系統,而其中四光束及四光束以上的機艙雷達占比超90%,這是由于更多的光束可以獲取葉片前方更為豐富的來流信息,進而模擬出整個葉輪面的風速情況。

    圖片7.png 

    四光束機艙雷達測量點示意圖

    基于機艙雷達的前饋控制可以實現:

    ① 機組智能偏航,提升機組發電量2%以上

    ② 降低疲勞載荷,減少機組轉速波動、功率波動

    ③ 實現極限風況控制,降低極限載荷

    ④ 實現復雜風況控制,降低機組運行風險

    ⑤ 風況自適應控制,根據風況靈活調配控制策略

    ⑥ 風場多臺組網控制,降低尾流對整個風電場的影響,提升整個風電場的發電量。

    受眾多因素影響,機艙雷達在機組的普及程度遠沒有達到預期,近幾年幾乎所有的主機廠商都對基于機艙雷達的前饋控制技術表示出了濃厚的興趣并開始相應的試驗及研究,隨著研究的深入及機艙雷達成本的控制,機艙雷達市場將會有大幅的提升甚至會成為眾多主機廠商機組的標配部件。

    2) 偏航校正

    使用機艙雷達可以實現兩種偏航模式,模式一即為前文提到的將機艙雷達接入風機主控系統,實現機組實時偏航控制;模式二為將機艙雷達裝在風機機組一段時間(多為一個月左右)收集機組朝向與風向的偏差信息,測量結束后拆除機艙雷達,通過機艙雷達數據計算出機組朝向偏差,并將偏差值修正到風機控制系統中,從而達到偏航校正的目的。模式一需要配合風機控制策略實現偏航目標,而模式二中機艙雷達無需接入主控系統,實現起來較為容易,因此模式二成為眾多客戶的首選。

    3) 功率曲線測試

    IEC61400-12標準中提出使用葉輪直徑2~4倍處的風速進行功率曲線計算,而常見的用于前饋控制的機艙雷達量程小于200m,而且為了能夠測量整個葉輪面風速,其上下光束張角過大,即使能夠測到葉輪直徑2-4倍處的風速,其合成風速與真實風速會出現較大偏差。因此需要一款適用于功率曲線測試的機艙雷達。牧鐳推出的Molas NL400在原有的機艙雷達基礎上進行了改進,其量程升級為400m,可輕松測量機組2~4倍葉輪直徑處的風速。上下張角改為1,保證遠距離處的風速準確性。目前關于機艙雷達用于功率曲線測試的標準IEC61400-50-3正在編,預計20212022年頒布。由DTU主持編寫的基于機艙雷達的功率曲線測試方法已經公開。

    由于機艙雷達安裝于機組后一直伴隨風機轉動,相比于使用測風塔或者地基式雷達進行功率曲線測試,其數據可用扇區不受風向影響,可以用更短的時間收集各風速段的風速數據。對于在山區、海上等無法立塔或者安裝地基式雷達的區域,使用機艙雷達進行功率曲線測試優勢更為明顯。

    四、總結

    除了地基式及機艙式測風激光雷達,風電市場還存在一些其他形態的測風激光雷達,如用于風電場尾流研究及海上風電資源評估的三維掃描雷達等。隨著激光雷達廠家與主機廠商及業主的深度配合,測風激光雷達技術將會更加經濟成熟穩定,同時未來將會有更多激光遙感設備用于風電行業,為國家“雙碳”目標貢獻科技的力量。