更低的載荷，更高的發(fā)電量，一直是風電機組設(shè)計優(yōu)化的方向。

風是風電發(fā)展中最重要的環(huán)節(jié)，也是風電項目中最大的不確定因素，它影響風力發(fā)電機組的設(shè)計成本，威脅風力發(fā)電機組的運行安全，決定風電機組的最終運行狀況。因而準確地捕捉風況，從而為風機的運行提供有效的參考至關(guān)重要。


傳統(tǒng)風速風向儀所測得的是穿過葉輪后的風速風向，因此其存在的局限性使得所測出的風速風向不能直接參與閉環(huán)控制。為了提升了風機風電機組對前方風場的感知能力，運達股份創(chuàng)造性地將機載式激光雷達與獨立變槳、前饋控制等智能控制策略相結(jié)合，讓風電機組從對風遲滯局部的感知進化到預先精準的探測，從而達到降低機組載荷和度電成本的目的。使用激光雷達進行偏航校準的機組發(fā)電量可提升1.6%左右；通過前饋控制策略，塔底等效疲勞載荷下降10%以上；使用獨立變槳技術(shù)后，葉根載荷可降低24%。

從“盲人摸象”到“風機之眼”

傳統(tǒng)風速風向儀的測風方式是“觸摸”風，也就是當風吹到機組才能測量到。由于葉輪旋轉(zhuǎn)造成旋流和擾流，使得風速儀測到的風速受到強烈干擾，所測出來的風速并非葉輪前的風速，而是衰減后的風速。同時風向儀還存在一定程度的安裝誤差，如果不能及時糾正并發(fā)現(xiàn)這一安裝誤差，就會造成發(fā)電量損失，同時也會增加葉輪面上的推力不平衡，從而造成載荷增大。

激光雷達測風方式為非接觸測量，猶如為風機裝上了觀測風速的眼睛，可以主動測量距離機組前一定范圍的風速，不受氣動外形和尾流的影響，測量精度高。精準的測量結(jié)果與連續(xù)的趨勢變化感知對機組的主動控制有相當大的指導意義。

目前投入應用的機載式激光雷達屬于相干激光雷達(Coherent Laser Radar )，根據(jù)相關(guān)光系統(tǒng)可細分為連續(xù)波雷達(Continuous Wave Lidar)和脈沖雷達(Pulsed Lidar)，兩者的基本工作原理上是一致的。當相干光束照射到空氣中的氣溶膠顆粒，一部分光會被氣溶膠顆粒散射而產(chǎn)生回波。根據(jù)多普勒原理，氣溶膠顆粒沿相關(guān)光束方向的運動會導致回波的頻率變化，如下式所示：


上式中，c 代表光速， Vlos是氣溶膠顆粒沿相關(guān)光光束方向的運動速度，ν和λ分別代表激光束的頻率和波長，δν是回波信號的頻移。根據(jù)多普勒原理，回波信號的頻移是正比于氣溶膠顆粒運動速度（風速）的。在機載式激光雷達內(nèi)部，回波光束和本機振蕩器（參考光束）在光電探測器內(nèi)進行拍頻處理，光電探測器的輸出再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，在工控機內(nèi)進行頻譜處理等數(shù)字調(diào)解方法，最終獲得風速風向等信息。


偏航校準，尾流控制，多層面提升發(fā)電量

由于傳統(tǒng)風速風向儀測風原理的局限性，目前風機普遍存在一定的偏航安裝誤差。機載式激光雷達可以幫助偏航控制系統(tǒng)實現(xiàn)快速精準的對風，避免風能損失。下圖為運達股份根據(jù)激光雷達采集的信息繪制出某測試風機10分鐘平均對風誤差和10分鐘平均風速的散點圖。從該風機的測試數(shù)據(jù)可以看出，機組存在對風誤差：散點的分布非常廣，尤其是在低風速區(qū)，平均的偏航誤差均值在6度左右，通過偏航誤差矯正，該機組的發(fā)電量有望提升1.6%左右。


實際風場中，上風向風機帶來的尾流效應降低了下風向風機的來流風速，全尾流覆蓋工況下，下游風機功率損失可達50%，同時尾流還帶來了附加的湍流強度，造成更大的部件疲勞載荷。湍流強度作為尾流的識別特征之一，給機載式激光雷達探測尾流提供依據(jù)。激光雷達通過測量各個光束的湍流強度，識別尾流的來向，從而調(diào)整風力發(fā)電機組的偏航角度，削弱尾流效應的影響。

精準測量，實現(xiàn)前饋控制

近年來，前饋控制技術(shù)在機組載荷設(shè)計領(lǐng)域受到更多的重視。特別是在結(jié)合場級尾流控制之后，有效緩解由風場內(nèi)復雜尾流影響帶來的發(fā)電量損失和機組疲勞，提升了整個風場的經(jīng)濟效益和可靠性。

實現(xiàn)前饋算法的基礎(chǔ)是準確有效的風速輸入，多光束機載式激光雷達的出現(xiàn)，使得測量來自上風向的整個葉輪面的等效風速成為了可能，運達股份通過實際機組特性對比驗證了激光雷達重構(gòu)風速的有效性。

利用機組的葉輪轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩等動態(tài)特性，推演出當前作用于風機的實時等效風速。激光雷達重構(gòu)出的雷達等效風速，則作為這一風速的超前量，經(jīng)滯后處理，用于前饋算法。下圖中紅線是利用機組動態(tài)特性繪制出的實時等效風速，藍線是激光雷達經(jīng)風場重構(gòu)的風速（經(jīng)滯后處理），可以看出兩者良好的吻合度。這意味著激光雷達合成風速可以很好地作為前饋控制的輸入。


通過雷達前饋控制，可以更好地控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速。下圖中，藍線代表基準控制器發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制效果，橙色代表加入雷達前饋控制后的控制效果；豎線的長度表示發(fā)電機轉(zhuǎn)速標準差，豎線上的點表示發(fā)電機轉(zhuǎn)速均值。從圖中可以看出，在各個風速段下，引入雷達前饋控制以后，不僅發(fā)電機轉(zhuǎn)速均值出現(xiàn)了下降，發(fā)電機轉(zhuǎn)速標準差也出現(xiàn)了下滑，這意味著發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以得到更平滑的控制。


同時，雷達前饋控制還可以有效地降低塔底彎矩。從下圖中的多次測試結(jié)果可以看出，相對于基準控制器，采用雷達前饋控制后，塔底My的等效疲勞載荷降低了10%以上。


提前探測，預先響應，精準開啟獨立變槳

來流風速的大小變化，決定了風電機組的發(fā)電量和承受的載荷。來流為陣風或者強湍流時會引起主機，尤其是主軸和齒輪箱部分載荷增大，可能引起機組停機或者故障，直接造成了發(fā)電量損失。

如果機載式激光雷達可以測量到機組前50~100米的風速變化，那么當機組探測到極限陣風后，提前2~3秒進行前饋控制，提前變槳，實現(xiàn)風電機組降載，就可以良好地抵御極限陣風帶來的高負載，從而有利于在低風速區(qū)機組配備更大的葉輪。然而伴隨葉輪半徑不斷的增加，風剪切、湍流等現(xiàn)象在葉輪面上產(chǎn)生的不平衡載荷進一步變大，獨立變槳技術(shù)，是解決這一問題的良好辦法。


在實際應用中會產(chǎn)生這樣一對矛盾：一方面如果風力發(fā)電機組一直開啟獨立變槳策略，往往會因變槳過于頻繁而導致變槳軸承壽命受到影響；另一方面，葉輪不平衡載荷在強湍流條件下表現(xiàn)得更為明顯。運達股份在這方面做了大量深入的研究，將激光雷達技術(shù)和獨立變槳技術(shù)有效結(jié)合，探索出獨立變槳技術(shù)的高效應用策略。

運達股份通過激光雷達監(jiān)測來流風的湍流強度，實現(xiàn)降載和零部件疲勞載荷的平衡。在湍流強度達到一定閾值時，開啟獨立變槳，既可以顯著降低葉輪推力不平衡引起的疲勞載荷，也緩解了變槳過于頻繁導致變槳軸承零部件的壽命問題。在較高湍流強度下開啟獨立變槳，主要部件的等效疲勞載荷值可較同條件下的協(xié)同變槳控制出現(xiàn)了明顯下降。在風速為10~11m/s和湍流強度為0.10~0.12 區(qū)間內(nèi)，葉根My的疲勞載荷可降低24.74%，主軸My的等效疲勞載荷可降低10.42%，主軸Mz的等效疲勞載荷可降低8.29%。


隨著我國風電行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，高功率大葉片機組伴隨著復雜地形帶來的復雜風況，給風機的載荷、壽命和發(fā)電量都帶來了不小的挑戰(zhàn)。運達股份通過引入機載式激光雷達，并與智能控制策略有機結(jié)合，大大提高了運達股份機組的技術(shù)先進性，給機組帶來多層級的感知能力。作為風電行業(yè)的開拓者和創(chuàng)新者，運達股份一直積極響應市場需求，堅持技術(shù)創(chuàng)新應對新挑戰(zhàn)，為風電機組的智能化打下堅實的基礎(chǔ)。