机载激光雷达测风仪在风力发电机组上的应用研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：欧阳跃（1986），男，瑶族，贵州从江人，大学本科学历，工程师，研究方向为风电。-25-机载激光雷达测风仪在风力发电机组上的应用研究 欧阳跃 郭新毅 史仰泽 王方钦 李 凯 中广核贵州龙里风力发电有限公司，贵州 贵阳 550081 摘要：摘要：在科学技术的快速发展背景下，地球上的煤炭、天然气、石油等自然资源开采程度越来越高，能源短缺已经成为当前较为突出的问题。风能是一种优质、储量大的可再生资源，在转化风能过程中也不会污染环境。我国有丰富的风力资源，风力发电成本相对较低，风能发电也具有十分广阔的发展前景。但是目前国内在这一方面还处于发展初期阶段，由于技术较为落后，产品质量低下导致发电成本骤增。只有全面、细致地对风力资源进行调查，不断完善风力资源的测量及分析方法，才能够加速风力发电的发展，提高风能利用率。风力测速就是其中的一个重要环节。本文就机载激光雷达测风仪在风力发电机组上的应用展开了研究。关键词：关键词：机载激光雷达测风仪；风力发电机组；应用研究 中图分类号：中图分类号：TM315 0 引言 风力发电的发展已经从量变逐渐转变为质变，只有利用最先进的科学技术才能够提高发电性能，降低发电成本。风力资源近年来的利用率越来越高，其在国内发展规划中也重点强调了风电发展，目前风电装机总量已经让中国成为了风电大国。接下来的发展目标是要转变成风电强国。因此，要不断提高风电发电总量。遥感测风技术是一种全新技术手段，激光测风雷达在风力资源评估、功率曲线测量、微观选址等方面都发挥出了巨大作用。如果根据测风方式进行划分，就可以划分为相干、直接这两种探测方式。相干探测的灵敏度与测量精度都相对更高。机载激光雷达测风仪具有十分明显的应用优势。1 激光雷达简介 随着现代信息技术的发展，激光雷达技术也进入到了一个全新的阶段，该技术在工业领域的应用范围越来越广泛，涵盖了航空航天、汽车行业、气象行业、灾难预警、交通安全等方面。近年来为了发展经济，全球范围内都在大力挖掘自然资源，但是有些自然资源并不是可再生资源，在这种发展背景下各类自然资源的总量都在迅速减少。为了保证电力的供应，风力发电目前已经成为了一个全新的发展方向，应用范围变得越来越广泛。为了更好的控制风力发电的质量，就需要重视风速、风向等问题，这些数据主要是来源于机舱上风速仪、风向标，必须要保证有准确的风速以及风向，这样得出的数据才能够更加精确。风力发动机的叶轮在转动过程中风轮前后的风速、风向值都会受到明显影响，基于这个原因，导致实际风速与测量到的数据会有较大的偏差。激光测风雷达在资源勘测、机组的运行控制、风机功率特性测试等方面应用较多。在该技术的实际应用过程中，应用效果会受到数据有效性、完整性以及成本等因素的影响，认可程度还存在一定的争议。该技术主要是利用大气气溶胶之间的散射与吸收效应，在激光的作用下会产生多种不同的散射过程。在这两种的相互作用下，会产生许多光信息，然后利用这些信息进行探测。激光发射后会进入到大气层，在这个过程中测量信号频率会出现一定变化。激光雷达可以发射出两种不同的信号，一种是脉冲激光雷达，另一种是连续波激光雷达。激光雷达的测风原理是需要提前做出假设条件，由于提前设置了假设条件，所以监测到的数据就会与实际结果出现偏差，导致数据不够完整、有效、准确。每个测量点的分布空间内流场速度是否均匀，空气中气溶胶颗粒有没有固定的分布规律，粒子的移动速度通常就代表了风的流动速度。由于在测量之前已经提前预设了流场速度以及气溶胶颗粒的分布情况，所以在实际的测量过程中当气溶胶的含量以及天气状况发生变化时，就会严重影响到测量结果。中国科技期刊数据库 工业 A-26-2 激光雷达测风数据分析 2.1 测风数据有效性 为了对激光雷达测风情况进行分析，首先将激光雷达安装到机组机舱的尾部，激光雷达测风仪可以对风速、风向偏差值、有效性、相关性等问题进行测量，同时要对校正前后的运行效果进行全面评估。在使用激光雷达时，需要首先获取径向风速的原始测量数据，然后根据需要进行分析和处理。需要注意的是，如果机组的机舱位置由于其位于风轮后方，叶片转动有时会干扰雷达波，导致获得无效数据。这种情况下，采样数据周期内获得的数据将更为有效。在样品数据中，偏差表示样本与平均值之间的偏离程度，样本方差则度量了这种偏离程度的平方。在测量过程中会不可避免的产生误差，若存在不确定性，则测量结果的可靠性将降低。当数值越小，结果与被测量值之间的差距就越小。2.2 不同距离的风速风向相关性 将雷达的测试范围控制在 200 米以内，对测量出的数据进行对比，对雷达自身的数据关联性进行分析，要对雷达本身数据的可靠性和关联性进行确认。要对测试周期内的所有数据进行整理，对于不合理、无效的数据进行筛除，对测量结果进行分析后可以发现，不同距离的风向、风速具有较强的相关性，这一结论证明了雷达设备本身测量到的数据就较为可靠、真实。将这一数据与风速计、风向标对比后可以得出不同测量设备所测数据是否具有相关性。3 激光雷达测风系统的工作原理及应用情况 3.1 工作原理 激光雷达使用单频窄线宽脉冲激光器作为辐射光源。激光回波通过接收天线被收集起来，然后送入相干光路进行混频。信号处理系统通过实时采样检波分析，计算每个距离段的视线风速。在激光雷达执行过程中，需要同时执行空间扫描任务，并完成对所有目标空域的风速检测。此外，在风力发电过程中，风速的测量是关键环节，当获取了有效的风速值后，才能够提高风能的利用率。风力发电机的运行状态会随着风速的变化而发生变化，风速是风力发电机能够正常运行的重要前提。3.2 应用情况 测风激光雷达广泛应用于气象、风能等领域。下面将介绍其在这些领域的具体应用。3.2.1 气象领域 测风激光雷达可以用于测量大气中的风速和风向。通过安装多个测风激光雷达，可以实现对大气中风场的全方位、多层次的观测，从而提供准确的风场数据，为天气预报和气候研究提供重要依据。3.2.2 风能领域 测风激光雷达在风能领域有着重要的应用。通过测量风速和风向，可以评估潜在的风能资源，并确定适合建设风力发电场的地点。此外，测风激光雷达还可以用于风力发电场的运行监测，及时掌握风机的工作状态，提高发电效率。除了上述应用外，测风激光雷达还可以应用于环境监测、城市规划、交通管理等领域。例如，可以利用测风激光雷达来监测城市中的风速和风向，为城市规划和交通管理提供数据支持。4 激光雷达测风在风力发电机组上的应用前景分析 4.1 光纤激光器 目前国内风力发电机组技术已经越来越成熟，在多个地区进行了推广和应用，解决了我国总体电力要求，保障了电力的稳定供应以及偏远地区的用电需求。在风力发电过程中，发电量与平均风时、有效风时应该匹配，避免出现偏差。测风仪可以对周边环境中的风速、风向等数据进行检测，让风力发电机组能够安全、稳定的运行，同时还保证了风力发电机组的运行安全。测风仪已经与风场的情况相匹配，要考虑到外部的影响因素以及实际的监测情况。就机载激光雷达测风仪而言，国内的发展起步较晚，所以与发达国家之间仍然存在一定的差距。近年来在技术人员的不断推动下，逐渐缩小了与国外的软硬件技术差距。目前国产雷达的商用程度相对要低，国外产品的价格比国内的更加高昂，还会增加气象数据泄露的风险，必须要加速研究。针对相干探测激光雷达的特定需求，我们需要选择具有高稳定性、低功率连续波的分布式反馈激光器作为种子光源。声光调制可以有效提高重复效率，还可以逐级放大脉冲能量。这类激光器的体积相对更小，中国科技期刊数据库 工业 A-27-使用寿命较长，不仅结构更加紧凑而且易于集成，调节起来更加方便且具有较高的稳定性，能够更好的抵御外部的恶劣环境。科学技术的发展让稳频光纤激光器的频率变得越来越稳定，线宽也变得更窄，这些因素都使得该技术得到了更加广泛的应用。在科学技术快速发展的背景下，光纤技术取得了更加快速的发展，光纤激光器就可以输出更多的能量。这些技术都能够应用在激光测风雷达当中，推动机载激光测风雷达技术的发展。4.2 复合探测需求 近年来在探测方面的科研力度在不断加大，单一功能的产品已经无法满足日常的使用需求，多功能复合探测系统应运而生，并受到了越来越多用户的青睐。“一机多能”是激光测风雷达未来的必然发展趋势，可以更好的满足遥感预测需求。激光雷达测风技术与额外的功能进行叠加，就可以探测到更多的元素，探测方式也变得越来越多元化。4.3 风速校正及功率曲线评估问题 为了更好的满足风力发电机组的不同需求，解决风力发电机组在运行过程中可能会出现的问题，通常以功率曲线、设备故障和偏航变桨性能差等形式出现。通过充分结合激光雷达测风仪得到的数据与风电机组运行数据，实现对风电机组运行性能的全面优化。当风力发电机组的功率曲线较差时，运行性能通常就会出现异常，这时就需要对当前的性能进行优化从而提升运行空间。应用这种方法得到的评估结果相对更加准确，操作方法也相对简单。在风电产业快速发展的背景下，风电机组的运行过程中逐渐浮现出了更多的问题，这对于风场的安全运行以及相应的经济效益都产生了较大的影响。为了更好的解决这些问题，就必须要保证功率曲线达到投标保证值，提高偏航变桨性能，同时要采取相应的措施降低故障发生率。功率曲线是评价风机性能的关键指标，其中考核的关键因素就是风速测量。机舱的风速仪通常叶轮的后方位置，在测量过程中会受到风机尾流的影响，得到的数据也就无法代表真实自由流风速，无法反映出准确的风速功率曲线。而激光雷达测风仪则可以对其进行校正，在经过全场对比之后对不达标机组的运行数据进行分析，找到更合适的解决方案。有些风电场的地形条件较为复杂，在额定功率、风轮直径、盛行风向固定且周边没有大型障碍物的前提下，要根据风场的实际情况来设置激光雷达测风仪的安装位置，在获得数据后要对数据进行分类处理，剔除不需要、不匹配的测风数据。为了更好的解决风电机组质保验收以及运行过程中出现的各种问题，为了让功率曲线的考核评估能够更加准确，就需要借助激光雷达测风仪得到的测量数据，同时要借助风电机组的运行数据对系统风速进行校正。这种方法可以了解全部风电机组的运行状态，及时优化运行较差的机组，让性能考核评估变得更加客观、便捷。5 结语 综上所述，要想对风力发电机组有更加精准的控制，并根据使用情况进行优化，风速测量是其中最基础、最重要的工作环节。激光雷达测风技术当前已经能够精准描述大气风场，是较为可靠、有效的技术手段，也是提高风力发电水平的关键要素。这两者相辅相成，让测量结果更加精确，提高了风力发电水平。通过测量可以对当前异常情况及时进行处理，定期评估风力发电机组的运行性能。此外，要加大对机载激光雷达测风仪的研究力度，让机载激光雷达测风仪能够在风力发电机组上发挥出更大的作用。参考文献 1钟茗秋.基于激光雷达和等效风轮风速的海上风电机组功率曲线测试应用研究J.河北工业大学学报,2022(06):73-78.2 徐 国 庆,方 韬,范 晓 旭,王 东.机 载 激 光 雷 达 测 风 仪 在 风 力 发 电 机 组 上 的 应 用 研 究 J.风 力 发电,2014(01):7-11.3李颖,雷熠,莫尔兵,王其君,兰杰.风力发电机组机舱式激光测风雷达可用性评价J.东方汽轮机,2021(02):63-67.中国科技期刊数据库 工业 A-28-4 张 岩,王 冬 冬.激 光 雷 达 测 风 系 统 在 风 电 机 组 功 率 曲 线 测 试 中 的 应 用 研 究 J.太 阳 能 学报,2017(06):1489-1494.5付廷正.一款新型风电机组分体式测风激光雷达的系统设计J.今日制造与升级,2022(02):25-28.6王剑利.基于多普勒测风激光雷达偏航矫正增功研究J.微型电脑应用,2023(05):205-208.