测风激光雷达在风电行业应用现状

发布时间:2021-08-27   

一、引言

随着测风激光雷达在风电行业多个场景多年的应用及研究,其对于风电行业不再是陌生的产品,风电相关工程师在进行工作时都会将测风激光雷达作为测风的重要工具选择之一。得益于测风激光雷达厂商、风机主机厂商及风电业主的不懈努力,测风激光雷达的价格相比几年前得到了大幅度地降低,这也促使测风激光雷达市场容量得到大幅度的提高。据不完全统计,2020年国内风电行业地基式测风激光雷达出货量大于150机舱式测风激光雷达出货量接近一千台,而在5年前,相应的数据分别为小于10台和小于5市场容量的增长优化了测风激光雷达的产业链及激光雷达厂家产品开发能力,这些改变将继续反哺市场,测风激光雷达的价格在未来将会得到进一步的下探,这势必形成一个良性的循环并有助于测风激光雷达在风电行业的“双碳”目标中贡献重要力量。

测风激光雷达在风电场各个阶段的应用

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测风激光雷达目前市场上主要存在两种技术路线,即脉冲相干探测和连续相干探测,应用形态包括地基式测风激光雷达、机舱式测风激光雷达及三维扫描雷达等,本文主要探讨脉冲相干探测雷达在风电行业的应用。脉冲相干探测测风激光雷达测量原理为:激光器产生信号光通过光学天线和扫描机构发射到待测空气中,与其中的气溶胶颗粒作用产生包含其速度信息的后向散射信号。由多普勒原理可知,回波信号的多普勒频移fd 与气溶胶颗粒运动速度(即风速)成正比,因此光学天线接收到的后向散射信号通过和系统内光纤激光器产生的本振光拍频和数字解调,即可处理得到径向风速。扫描机构控制激光的发射方向、发射频率及周期光束数量,进而构建出时间空间模型,在此模型下将周期内的径向风速合成为目标风速。如Molas B300地基式测风激光雷达采用VAD扫描方式通过4光束得到空间矢量风速,进而获取水平风速风向及垂直风速。

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Molas B300工作原理

二、地基式测风激光雷达

地基式测风激光雷达是在风电行业最早的应用形态其出现取代了测风塔的部分市场弥补了部分测风塔无法完成的工作。相比于测风塔,测风激光雷达具有以下优点:

量程广:可测量300m甚至更高高度的风速轻松覆盖整个叶轮面

部署灵活:安装灵活方便,可重复使用

安装快捷:一天完成所有安装工作,当天即可获取风速数据

低征地风险:可随时拆除或移点,当地居民易接受

低安全风险:无须登高作业,无倒塌风险

环境适应性强可在40~50℃环境下正常工作,无惧冰冻。

随着地基式测风激光雷达国际标准地建立IEC61400-12-1)、第三方权威机构的认证测试以及风电行业的大量应用及研究,其测量准确性得到业内的广泛认可,越来越多的主机厂商、第三方机构及业主将其使用于风电场建设的各个阶段,主要应用包括:风资源评估、功率曲线测试、风功率预测、载荷测试等。

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Molas B300在德国DNVGL认证结果

1) 风资源评估

在风电场的宏观选址阶段使用测风激光雷达进行短期测风可快速决策是否继续进行该项目投资用最经济的手段节省时间成本并降低项目风险在微观选址阶段使用测风激光雷达短期测风结合测风塔数据可更精准模拟出整个风场的风资源情况特别是对风机机位点的风资源补测可有效避免单机组投资风险精准计算发电收益并保证机组的安全特性

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资源评估

随着海上风电的快速发展海上风资源评估成为行业内迫切需求而传统的海上测风塔存在造价昂贵审批手续复杂建设周期长等缺点测风激光雷达测风已成为海上测风的首选。不同于陆上测风,激光雷达在海上测风需要有相应的物理载体,目前载体常见的有平台及浮标两种形式,其中平台是指已存在的固定不动的载体如石油钻井平台、灯塔、升压站等,海上平台测风投资少但平台资源可遇不可求,浮标作为载体(浮标雷达)成为目前海上测风的主流形式。IEAWind TCP TASK32正在制定浮标雷达相关标准,相关标准的推出将有助于浮标雷达的规范使用及相关技术的发展。而海洋风况作为国家较为重要的资源,其数据的安全可靠尤其重要,浮标雷达搭载的测风激光雷达国产化将成为发展的大趋势。

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海上平台测风

2) 功率曲线测试

根据国际电工委员会颁布的风机功率曲线验证标准IEC61400-12的规定进行风机功率曲线的测量必须立测风塔位置与发电机组的距离应该为风力发电机组风轮直径D2~4而且测风必须设在所选择的测量扇区内然而风场建设完毕后原先的已建测风塔位置很难满足功率曲线测试的要求新建测风塔会存在诸多限制包括地形征地建设周期、价格等,这使得功率曲线测试实施变得较为困难。在2017年修订的IEC61400-12标准中将测风激光雷达列入可用于功率曲线测试的设备名单由于测风激光雷达灵活部署特点使得功率曲线测试变成可轻松实施的工程目前已经被DNVGLWindguard等机构用于实际测试应用

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雷达用于功率曲线测试

3) 风功率预测

为保障电力系统安全稳定运行,落实国家可再生能源政策,规范风电并网调度运行管理,所有并网运行的风电场均应具备风电功率预测预报的能力并按要求开展风电功率预测预报。风功率预测传统测风方法是在风电场5km范围内、不受风电场尾流影响且在风电场主导风向上修建测风塔。测风塔在冬季塔体结冰后,易发生倒塌事故,存在严重的安全隐患,且数据中断后易造成电网考核。测风塔的建设还存在复杂的征地手续、建设周期长、费用高、难维护等特点。而激光雷达测风测量高度大、占地面积小、工期短、可靠性高,且无倒塌风险,激光雷达已逐渐显现出在功率预测系统中的优势。基于雷达小巧安全等特点,如条件允许,业主可选择将雷达部署在升压站内,无论是建设手续还是维护性都相比测风塔有着明显的优势,尤其是海上升压站,使用激光雷达代替测风塔的经济效益更加突出。

 

功率预测雷达安装于升压站内

机舱式测风激光雷达

不同于地基式测风激光雷达与测风塔的功能高度重叠机舱式测风激光雷达在风电行业内属于一种全新的应用其可以测量风机叶片前方的风速情况而不受叶片扰流的影响,主要应用包括:前馈控制、偏航校正及功率曲线测试等。

1) 前馈控制

前馈控制为机舱雷达的主要应用,目前全球超过1500台机组已将机舱雷达接入风机的控制系统而其中四光束及四光束以上的机舱雷达占比超90%这是由于更多的光束可以获取叶片前方更为丰富的来流信息,进而模拟出整个叶轮面的风速情况。

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四光束机舱雷达测量点示意图

基于机舱雷达的前馈控制可以实现:

① 机组智能偏航,提升机组发电量2%以上

② 降低疲劳载荷,减少机组转速波动、功率波动

③ 实现极限风况控制,降低极限载荷

④ 实现复杂风况控制,降低机组运行风险

⑤ 风况自适应控制,根据风况灵活调配控制策略

⑥ 风场多台组网控制,降低尾流对整个风电场的影响,提升整个风电场的发电量。

受众多因素影响,机舱雷达在机组的普及程度远没有达到预期,近几年几乎所有的主机厂商都对基于机舱雷达的前馈控制技术表示出了浓厚的兴趣并开始相应的试验及研究,随着研究的深入及机舱雷达成本的控制,机舱雷达市场将会有大幅的提升甚至会成为众多主机厂商机组的标配部件。

2) 偏航校正

使用机舱雷达可以实现两种偏航模式,模式一即为前文提到的将机舱雷达接入风机主控系统,实现机组实时偏航控制;模式二为将机舱雷达装在风机机组一段时间(多为一个月左右)收集机组朝向与风向的偏差信息,测量结束后拆除机舱雷达,通过机舱雷达数据计算出机组朝向偏差,并将偏差值修正到风机控制系统中,从而达到偏航校正的目的。模式一需要配合风机控制策略实现偏航目标,而模式二中机舱雷达无需接入主控系统,实现起来较为容易,因此模式二成为众多客户的首选。

3) 功率曲线测试

IEC61400-12标准中提出使用叶轮直径2~4倍处的风速进行功率曲线计算,而常见的用于前馈控制的机舱雷达量程小于200m,而且为了能够测量整个叶轮面风速,其上下光束张角过大,即使能够测到叶轮直径2-4倍处的风速,其合成风速与真实风速会出现较大偏差。因此需要一款适用于功率曲线测试的机舱雷达。牧镭推出的Molas NL400在原有的机舱雷达基础上进行了改进其量程升级为400m可轻松测量机组2~4倍叶轮直径处的风速上下张角改为1保证远距离处的风速准确性目前关于机舱雷达用于功率曲线测试的标准IEC61400-50-3正在编,预计20212022年颁布。由DTU主持编写的基于机舱雷达的功率曲线测试方法已经公开。

由于机舱雷达安装于机组后一直伴随风机转动,相比于使用测风塔或者地基式雷达进行功率曲线测试其数据可用扇区不受风向影响可以用更短的时间收集各风速段的风速数据。对于在山区海上等无法立塔或者安装地基式雷达的区域使用机舱雷达进行功率曲线测试优势更为明显

四、总结

除了地基式及机舱式测风激光雷达,风电市场还存在一些其他形态的测风激光雷达,如用于风电场尾流研究及海上风电资源评估的三维扫描雷达等。随着激光雷达厂家与主机厂商及业主的深度配合,测风激光雷达技术将会更加经济成熟稳定,同时未来将会有更多激光遥感设备用于风电行业,为国家“双碳”目标贡献科技的力量。