更低的載荷，更高的發電量，一直是風電機組設計優化的方向。

風是風電發展中最重要的環節，也是風電項目中最大的不確定因素，它影響風力發電機組的設計成本，威脅風力發電機組的運行安全，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重要。


傳統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；使用獨立變槳技術后，葉根載荷可降低24%。

從“盲人摸象”到“風機之眼”

傳統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現這一安裝誤差，就會造成發電量損失，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。精準的測量結果與連續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 )，根據相關光系統可細分為連續波雷達(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生回波。根據多普勒原理，氣溶膠顆粒沿相關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部，回波光束和本機振蕩器（參考光束）在光電探測器內進行拍頻處理，光電探測器的輸出再經過模數轉換，在工控機內進行頻譜處理等數字調解方法，最終獲得風速風向等信息。


偏航校準，尾流控制，多層面提升發電量

由于傳統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實現快速精準的對風，避免風能損失。下圖為運達股份根據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。從該風機的測試數據可以看出，機組存在對風誤差：散點的分布非常廣，尤其是在低風速區，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。激光雷達通過測量各個光束的湍流強度，識別尾流的來向，從而調整風力發電機組的偏航角度，削弱尾流效應的影響。

精準測量，實現前饋控制

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

實現前饋算法的基礎是準確有效的風速輸入，多光束機載式激光雷達的出現，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風速的有效性。

利用機組的葉輪轉速、電磁轉矩等動態特性，推演出當前作用于風機的實時等效風速。激光雷達重構出的雷達等效風速，則作為這一風速的超前量，經滯后處理，用于前饋算法。下圖中紅線是利用機組動態特性繪制出的實時等效風速，藍線是激光雷達經風場重構的風速（經滯后處理），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，可以更好地控制發電機轉速。下圖中，藍線代表基準控制器發電機轉速控制效果，橙色代表加入雷達前饋控制后的控制效果；豎線的長度表示發電機轉速標準差，豎線上的點表示發電機轉速均值。從圖中可以看出，在各個風速段下，引入雷達前饋控制以后，不僅發電機轉速均值出現了下降，發電機轉速標準差也出現了下滑，這意味著發電機轉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、湍流等現象在葉輪面上產生的不平衡載荷進一步變大，獨立變槳技術，是解決這一問題的良好辦法。


在實際應用中會產生這樣一對矛盾：一方面如果風力發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，將激光雷達技術和獨立變槳技術有效結合，探索出獨立變槳技術的高效應用策略。

運達股份通過激光雷達監測來流風的湍流強度，實現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同變槳控制出現了明顯下降。在風速為10~11m/s和湍流強度為0.10~0.12 區間內，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%。


隨著我國風電行業的持續發展，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、壽命和發電量都帶來了不小的挑戰。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合，大大提高了運達股份機組的技術先進性，給機組帶來多層級的感知能力。作為風電行業的開拓者和創新者，運達股份一直積極響應市場需求，堅持技術創新應對新挑戰，為風電機組的智能化打下堅實的基礎。