渦輪機入流中尾流探測方法分析

范朝峰 陳 靜 袁志鋼 張 磊 蘇 俊

1.國家電投集團江蘇海上風力發(fā)電有限公司 江蘇 鹽城 224399;2.如東和風海上風力發(fā)電有限公司 江蘇 南通 226499;3.國家電投集團江蘇新能源有限公司 江蘇 南京 210003

1 簡介

相干多普勒測風激光雷達是一種新型的風速風向測定裝置,它提供了遙感風速的可能性。這些裝置特別適用于需要在邊界層的前100 m內(nèi)進行風力測量的風能應用。它們的空間和時間分辨率允許在公用事業(yè)規(guī)模的風力渦輪機[1,2,3]周圍進行測量和流動征。還對安裝在機艙[4]頂部或旋轉(zhuǎn)器[5]內(nèi)部的激光雷達進行了研究,以獲取有關(guān)渦輪機入流的信息。這導致了從激光雷達輔助偏航[6]和俯仰控制[7]到功率曲線驗證[8]再到風電場控制[9]的各種應用。

與機艙式激光雷達系統(tǒng)相關(guān)的問題之一是僅測量風速的視線分量的局限性。為了獲得對控制應用（如轉(zhuǎn)子有效風速、偏航失準或垂直剪切）有用的入流信息,需要使用適當?shù)娘L模型進行重建[10]。通常假設(shè)水平均勻性。雖然在均勻平坦的地形中可以很好地滿足這一假設(shè),但在復雜地形中或當尾流影響視野時,這一假設(shè)被嚴重違反。

因此,有必要探測違反水平均勻性假設(shè)的流動情況。從圖1和2中可以看出尾流對激光雷達系統(tǒng)進行的失準度測量的嚴重影響。

圖1例示了三種情況。在與渦輪機對準的左側(cè)水平均質(zhì)流上顯示。在這種情況下,每個焦點處的視線分量相等,并且測得的失準度φ=0。當流動失準時（在中心面板上顯示為“＞0”的情況）,左焦點處的視線分量減小,而右焦點的視線分量增大。這導致了φ＞0的測量值。

如果違反水平均勻性假設(shè),即使流動對準,風矢量也具有不同的大小。一個簡化的情況顯示在圖1的右面板中,其中入流的左側(cè)顯示了降低的速度。例如,這可能是由尾流引起的。與中心面板類似,這將導致左焦點上的LOS分量減少,從而導致測量的φ＞0的失準度,盡管流動已對準。

圖1 左:與渦輪機對準的均質(zhì)入流。中心:與渦輪機未對準的均質(zhì)入流。右:風場左部上的撞擊尾流。

尾流對實驗失準度測量值的影響見圖2。機本文給出了10分鐘的平均值。另一臺上游渦輪機的尾流位置用黑色垂直線表示。在尾流扇區(qū)之外,可以觀察到大約 +5°的平均失準度。然而,在尾流內(nèi),可以看出失準度變化很大,達到了高達±35°的失準度。這意味著探測尾流的情況至關(guān)重要,因為偏置的激光雷達測量結(jié)果可能導致渦輪機對準錯誤,從而導致能量損失。

圖2 渦輪機失準度與遇見的桅桿風向的關(guān)系;垂直的黑線表示尾流狀況。

2 方法論

在本研究中,我們希望利用機艙式連續(xù)波（CW）激光雷達系統(tǒng)來探測渦輪機入流中的尾流。

視線風速可以用風矢量的視線分量與加權(quán)函數(shù)的卷積來表示。

這里n是波束單位矢量,r是指向焦點位置的矢量,u是三維風矢量場,s是沿波束與焦點的距離。對于聚焦的連續(xù)波相干激光雷達,加權(quán)函數(shù)（在遠焦距處）可以用洛倫茲分布充分近似[11]:

其中zR是所謂的瑞利長度。

尾流探測方法基于兩個原理:

（?。┪擦鳟a(chǎn)生的湍流的長度尺度明顯小于環(huán)境湍流的尺度。文獻[12]已經(jīng)證明了這一點,其中表明添加尾流的湍流可以通過長度尺度比環(huán)境湍流小得多的合成湍流來建模。這些模型很好地擬合了實驗觀察。

（ⅱ）小尺度湍流是增加多普勒頻譜寬度的原因。由于連續(xù)波激光雷達的大探頭體積,小尺度的波動將被衰減。濾波后的湍流將使多普勒頻譜變寬。文獻[13]對此進行了實驗驗證。

其中vr（t）是由激光雷達測得的風速（見方程式1）,W（t,v）是多普勒頻譜,是時間和視線速度的函數(shù),v是積分偽函數(shù)。

為了便于探測,用視線速度vr歸一化譜方差,得到視線TI。通過比較兩種不同射束的值,可以探測到入流中的尾流。LOS TI差異的符號顯示了轉(zhuǎn)子的哪一半受到尾流的影響。當遇到與平均LOS TI相比較高的瞬時LOS TI值時,標記為完全尾流。

圖3中給出了兩種不同光譜的例子,其中一束激光束在尾流中進行測量。兩個光譜均在5s內(nèi)得到?？梢钥闯?藍光光譜的寬度要大得多,表明存在大量的小尺度湍流。

圖3 兩個光譜的例子,其中藍色光譜由于尾流內(nèi)的測量而顯示出增強的峰寬。

3 實驗裝置

在Vestas V80渦輪機上安裝了一個由文大光電公司（WindarPhotonics）生產(chǎn)的連續(xù)波短艙激光雷達。該裝置是一種范圍80m的近程激光雷達,可以在間距角度為60°的兩個不同的聚焦位置依次聚焦。測量周期從2014年11月初到2015年3月中旬。共獲得約10,000個10min周期。該地點見圖4,其中帶有激光雷達系統(tǒng)的渦輪機由標記器指示。也可以看到周圍的渦輪機。

圖4 測試地點的谷歌地球屏幕截圖

4 結(jié)果

上一節(jié)中提到的實驗活動的結(jié)果可以在圖5和圖6中找到。測量在焦距80m處進行。首先,顯示了視線TI與偏航角的函數(shù)關(guān)系。在這里,我們考慮了距離配備激光雷達的渦輪機最近的5個渦輪機的尾流。

圖5 光束1和光束2的LOS TI圖解。實點表示渦輪機的位置。

從圖5中可以看出,當渦輪機指向周圍渦輪機之一時,LOS TI在偏航角處明顯更高。此外,當順時針旋轉(zhuǎn)時,可以看到光束2將首先受到尾流的影響,因為從渦輪機看,該光束指向右側(cè)（再次比較圖1）。因此,通過比較LOS TI的差異,可以給出轉(zhuǎn)子的哪一側(cè)受尾流影響的信息。此外,光束2的LOS TI值通常低于波束1的值。原因在于渦輪機平均未對準。光束2上的LOS風速更高,因此降低了LOS TI。

其次,圖6給出了尾流探測算法的性能。頂部面板顯示了渦輪機相對于其偏航位置的10分鐘平均失準角。正弦曲線表明尾流對激光雷達測量結(jié)果的影響（與圖2相比）。周圍的渦輪機顯示為彩色垂直線,尾流的正弦影響以它們?yōu)橹行?。較近的渦輪機往往會產(chǎn)生更嚴重的尾流效應,因為與較遠的渦輪機相比,風速不足恢復得更少。

圖6 10分鐘平均渦輪機失準與偏航位置的關(guān)系。垂直線指示周圍的渦輪機。

紅色、品紅和黑色散射點分別表示探測到的半尾流和全尾流狀況。這里的尾流1是指轉(zhuǎn)子的左半部的尾流（從激光雷達上看）和右半部的尾流2?？梢钥闯?可以捕捉到相應的尾流狀況,并且可以區(qū)分半尾流和全尾流。存在一些離群點,特別是對于半尾流情況。它可能是由于額外湍流的非尾流源（如建筑物或樹木）所致。

底部面板顯示消除所有尾流狀況后的失準信號。在這里可以看出,它能夠消除正弦尾流影響。這種信號可用于風力渦輪機偏航對準。

5 結(jié)論

在本文,我們提出了一種使用2光束機艙式激光雷達探測渦輪機的入流中的尾流狀況的方法。

這很重要,因為從激光雷達測量結(jié)果中得出風場信息的假設(shè)意味著兩個光束之一的尾流被解釋為大失準。多普勒峰寬可用于測量尾流中發(fā)現(xiàn)的小尺度湍流。我們展示了一項測量活動的結(jié)果,其中已經(jīng)測試了尾流探測算法。結(jié)果很有希望,這意味著可以探測受尾流影響的渦輪機入流。因此,機艙式激光雷達可用作渦輪機失準傳感器。未來的工作包括對不同環(huán)境湍流水平的分析。興趣在于在高環(huán)境湍流的情況下測試算法,其中峰寬的差異可能不那么顯著。我們還將研究不僅探測尾流而且同時估計尾流不足的可能性。

學習目標可歸納為:

·機艙式激光雷達可以測量風力渦輪機的失準,但尾流狀況包括測量中的偏差。

·尾流湍流增加了激光雷達測量結(jié)果的多普勒峰寬。

·通過對激光雷達多普勒峰值的比較,可以探測到渦輪機入流中的二次集中統(tǒng)計矩尾流。

·一種探測算法可以用來標記受尾流影響的入流,從而允許機艙式激光雷達用作渦輪機失準