更低的載荷，更高的發(fā)電量，一直是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化的方向。

風(fēng)是風(fēng)電發(fā)展中最重要的環(huán)節(jié)，也是風(fēng)電項(xiàng)目中最大的不確定因素，它影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)成本，威脅風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全，決定風(fēng)電機(jī)組的最終運(yùn)行狀況。因而準(zhǔn)確地捕捉風(fēng)況，從而為風(fēng)機(jī)的運(yùn)行提供有效的參考至關(guān)重要。


傳統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)向儀所測(cè)得的是穿過葉輪后的風(fēng)速風(fēng)向，因此其存在的局限性使得所測(cè)出的風(fēng)速風(fēng)向不能直接參與閉環(huán)控制。為了提升了風(fēng)機(jī)風(fēng)電機(jī)組對(duì)前方風(fēng)場(chǎng)的感知能力，運(yùn)達(dá)股份創(chuàng)造性地將機(jī)載式激光雷達(dá)與獨(dú)立變槳、前饋控制等智能控制策略相結(jié)合，讓風(fēng)電機(jī)組從對(duì)風(fēng)遲滯局部的感知進(jìn)化到預(yù)先精準(zhǔn)的探測(cè)，從而達(dá)到降低機(jī)組載荷和度電成本的目的。使用激光雷達(dá)進(jìn)行偏航校準(zhǔn)的機(jī)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(dú)立變槳技術(shù)后，葉根載荷可降低24%。

從“盲人摸象”到“風(fēng)機(jī)之眼”

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

激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)方式為非接觸測(cè)量，猶如為風(fēng)機(jī)裝上了觀測(cè)風(fēng)速的眼睛，可以主動(dòng)測(cè)量距離機(jī)組前一定范圍的風(fēng)速，不受氣動(dòng)外形和尾流的影響，測(cè)量精度高。精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果與連續(xù)的趨勢(shì)變化感知對(duì)機(jī)組的主動(dòng)控制有相當(dāng)大的指導(dǎo)意義。

目前投入應(yīng)用的機(jī)載式激光雷達(dá)屬于相干激光雷達(dá)(Coherent Laser Radar )，根據(jù)相關(guān)光系統(tǒng)可細(xì)分為連續(xù)波雷達(dá)(Continuous Wave Lidar)和脈沖雷達(dá)(Pulsed Lidar)，兩者的基本工作原理上是一致的。當(dāng)相干光束照射到空氣中的氣溶膠顆粒，一部分光會(huì)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(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)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(yùn)動(dòng)速度，ν和λ分別代表激光束的頻率和波長(zhǎng)，δν是回波信號(hào)的頻移。根據(jù)多普勒原理，回波信號(hào)的頻移是正比于氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)速度（風(fēng)速）的。在機(jī)載式激光雷達(dá)內(nèi)部，回波光束和本機(jī)振蕩器（參考光束）在光電探測(cè)器內(nèi)進(jìn)行拍頻處理，光電探測(cè)器的輸出再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，在工控機(jī)內(nèi)進(jìn)行頻譜處理等數(shù)字調(diào)解方法，最終獲得風(fēng)速風(fēng)向等信息。


偏航校準(zhǔn)，尾流控制，多層面提升發(fā)電量

由于傳統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)風(fēng)原理的局限性，目前風(fēng)機(jī)普遍存在一定的偏航安裝誤差。機(jī)載式激光雷達(dá)可以幫助偏航控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的對(duì)風(fēng)，避免風(fēng)能損失。下圖為運(yùn)達(dá)股份根據(jù)激光雷達(dá)采集的信息繪制出某測(cè)試風(fēng)機(jī)10分鐘平均對(duì)風(fēng)誤差和10分鐘平均風(fēng)速的散點(diǎn)圖。從該風(fēng)機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組存在對(duì)風(fēng)誤差：散點(diǎn)的分布非常廣，尤其是在低風(fēng)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(jī)組的發(fā)電量有望提升1.6%左右。


實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中，上風(fēng)向風(fēng)機(jī)帶來的尾流效應(yīng)降低了下風(fēng)向風(fēng)機(jī)的來流風(fēng)速，全尾流覆蓋工況下，下游風(fēng)機(jī)功率損失可達(dá)50%，同時(shí)尾流還帶來了附加的湍流強(qiáng)度，造成更大的部件疲勞載荷。湍流強(qiáng)度作為尾流的識(shí)別特征之一，給機(jī)載式激光雷達(dá)探測(cè)尾流提供依據(jù)。激光雷達(dá)通過測(cè)量各個(gè)光束的湍流強(qiáng)度，識(shí)別尾流的來向，從而調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航角度，削弱尾流效應(yīng)的影響。

精準(zhǔn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)前饋控制

近年來，前饋控制技術(shù)在機(jī)組載荷設(shè)計(jì)領(lǐng)域受到更多的重視。特別是在結(jié)合場(chǎng)級(jí)尾流控制之后，有效緩解由風(fēng)場(chǎng)內(nèi)復(fù)雜尾流影響帶來的發(fā)電量損失和機(jī)組疲勞，提升了整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和可靠性。

實(shí)現(xiàn)前饋算法的基礎(chǔ)是準(zhǔn)確有效的風(fēng)速輸入，多光束機(jī)載式激光雷達(dá)的出現(xiàn)，使得測(cè)量來自上風(fēng)向的整個(gè)葉輪面的等效風(fēng)速成為了可能，運(yùn)達(dá)股份通過實(shí)際機(jī)組特性對(duì)比驗(yàn)證了激光雷達(dá)重構(gòu)風(fēng)速的有效性。

利用機(jī)組的葉輪轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩等動(dòng)態(tài)特性，推演出當(dāng)前作用于風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)等效風(fēng)速。激光雷達(dá)重構(gòu)出的雷達(dá)等效風(fēng)速，則作為這一風(fēng)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(jī)組動(dòng)態(tài)特性繪制出的實(shí)時(shí)等效風(fēng)速，藍(lán)線是激光雷達(dá)經(jīng)風(fēng)場(chǎng)重構(gòu)的風(fēng)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(dá)合成風(fēng)速可以很好地作為前饋控制的輸入。


通過雷達(dá)前饋控制，可以更好地控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。下圖中，藍(lán)線代表基準(zhǔn)控制器發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制效果，橙色代表加入雷達(dá)前饋控制后的控制效果；豎線的長(zhǎng)度表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)差，豎線上的點(diǎn)表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均值。從圖中可以看出，在各個(gè)風(fēng)速段下，引入雷達(dá)前饋控制以后，不僅發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均值出現(xiàn)了下降，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)差也出現(xiàn)了下滑，這意味著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以得到更平滑的控制。


同時(shí)，雷達(dá)前饋控制還可以有效地降低塔底彎矩。從下圖中的多次測(cè)試結(jié)果可以看出，相對(duì)于基準(zhǔn)控制器，采用雷達(dá)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(cè)，預(yù)先響應(yīng)，精準(zhǔn)開啟獨(dú)立變槳

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

如果機(jī)載式激光雷達(dá)可以測(cè)量到機(jī)組前50~100米的風(fēng)速變化，那么當(dāng)機(jī)組探測(cè)到極限陣風(fēng)后，提前2~3秒進(jìn)行前饋控制，提前變槳，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組降載，就可以良好地抵御極限陣風(fēng)帶來的高負(fù)載，從而有利于在低風(fēng)速區(qū)機(jī)組配備更大的葉輪。然而伴隨葉輪半徑不斷的增加，風(fēng)剪切、湍流等現(xiàn)象在葉輪面上產(chǎn)生的不平衡載荷進(jìn)一步變大，獨(dú)立變槳技術(shù)，是解決這一問題的良好辦法。


在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生這樣一對(duì)矛盾：一方面如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一直開啟獨(dú)立變槳策略，往往會(huì)因變槳過于頻繁而導(dǎo)致變槳軸承壽命受到影響；另一方面，葉輪不平衡載荷在強(qiáng)湍流條件下表現(xiàn)得更為明顯。運(yùn)達(dá)股份在這方面做了大量深入的研究，將激光雷達(dá)技術(shù)和獨(dú)立變槳技術(shù)有效結(jié)合，探索出獨(dú)立變槳技術(shù)的高效應(yīng)用策略。

運(yùn)達(dá)股份通過激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)來流風(fēng)的湍流強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)降載和零部件疲勞載荷的平衡。在湍流強(qiáng)度達(dá)到一定閾值時(shí)，開啟獨(dú)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(dǎo)致變槳軸承零部件的壽命問題。在較高湍流強(qiáng)度下開啟獨(dú)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(fēng)速為10~11m/s和湍流強(qiáng)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(guó)風(fēng)電行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，高功率大葉片機(jī)組伴隨著復(fù)雜地形帶來的復(fù)雜風(fēng)況，給風(fēng)機(jī)的載荷、壽命和發(fā)電量都帶來了不小的挑戰(zhàn)。運(yùn)達(dá)股份通過引入機(jī)載式激光雷達(dá)，并與智能控制策略有機(jī)結(jié)合，大大提高了運(yùn)達(dá)股份機(jī)組的技術(shù)先進(jìn)性，給機(jī)組帶來多層級(jí)的感知能力。作為風(fēng)電行業(yè)的開拓者和創(chuàng)新者，運(yùn)達(dá)股份一直積極響應(yīng)市場(chǎng)需求，堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)，為風(fēng)電機(jī)組的智能化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。