激光测风雷达在风机发电性能提升的研究

激光测风雷达在风机发电性能提升的研究

王顺

中核汇能河北新能源有限公司     050051

摘要：随着可再生能源的日益重要，风能作为一种清洁的能源形式，其开发和利用受到了广泛关注。风机发电作为风能转换的关键环节，其性能的提升对整个风能产业链具有显著影响。本文旨在探讨激光测风雷达技术在提升风机发电性能方面的应用与潜力。通过案例分析对安装前后的数据进行对比，探讨分析激光测风雷达对风机发电性能提升的影响，得出激光测风雷达在风机上的应用能有效提升风机的发电性能，未来在风电行业的应用前景广阔。

关键词：激光测风雷达；风机发电；性能优化；风能信息；动态调整

引言：

风能作为一种清洁、可再生的能源，在全球能源结构中占据着越来越重要的地位。然而，风机发电效率的不稳定性和预测难度一直是制约其发展的关键因素。激光测风雷达作为一种高精度的风速风向测量工具，为解决这一问题提供了新的技术途径。本文旨在探讨激光测风雷达在风机上的应用及其对风机发电性能提升的影响，进而推动风能产业的高效和可持续发展。

一、风能产业现状与风机发电性能提升需求

风能产业作为全球能源转型的重要组成部分，近年来得到了迅猛发展。随着全球对清洁能源需求的不断增长，风能因其可再生、清洁、低碳等特点，成为了替代传统化石能源的重要选择。然而，风力发电效率的不稳定以及对风速变化的高度敏感性，一直是限制风能大规模应用的核心障碍。因此，增强风机的发电效率和稳定性，已成为迫切需要解决的问题。在风能产业的发展过程中，风机的性能优化是核心问题之一。风机的发电效率受到多种因素的影响，其中风速的不确定性是最主要的因素之一。

风速的波动会导致风机出力的不稳定，进而影响整个风电系统的运行效率。因此，对风速进行精确的测量和预测，对于提高风机发电性能具有重要意义。激光测风雷达作为一种高精度的风速测量工具，能够实时监测风速和风向，为风机提供精确的风能信息，从而实现风机的动态调整和优化运行。激光测风雷达技术的应用，为风能产业的发展带来了新的机遇。通过激光测风雷达获取的风速数据，可以用于风机的实时控制和调度，提高风机的运行效率。此外，激光测风雷达还可以用于风电场的规划和设计，通过精确的风能资源评估，优化风电场的布局和风机的选型。

二、激光测风雷达技术概述

激光测风雷达（LiDAR，Light Detection and Ranging）是一种通过激光脉冲探测大气中气溶胶和气体分子的散射回波，测量风速和风向的技术。其基本工作原理是通过发射激光脉冲并接收反射回波，利用多普勒效应计算出目标区域的风速和风向。

激光测风雷达系统主要由激光发射器、接收器、数据处理单元和控制单元组成。激光发射器发出激光脉冲，遇到大气中的气溶胶或气体分子后产生散射，散射回波被接收器接收。接收器将信号转换为电信号并送至数据处理单元，通过多普勒频移公式计算出风速和风向。图1展示了激光测风雷达的工作原理示意图。

图1机舱式激光雷达的工作原理

三、激光测风雷达在风机性能提升中的应用

3.1 风机选址与风场设计

风机选址和风场设计是风电项目的基础，直接影响发电效率和投资回报。激光测风雷达可以在风场选址阶段进行长期的风资源评估，提供高精度的风场数据，帮助确定最优的风机布局方案。通过分析不同高度的风速和风向变化，确定最佳的风机安装高度和位置，提高风场的整体发电效率。

3.2 风机运行控制

在风力发电机运行时，激光测风雷达能够实时监测风场的变化，为控制系统提供关键数据。通过对风机转速和桨叶角度的实时调整，风机可以始终保持在最佳工作状态，从而最大化发电效率。此外，当遇到风速过高或风向突变的情况时，激光测风雷达还能提前发出预警，有效防止风机遭受损害。

3.3 风电场整体优化

风电场整体优化包括多个风机的协同控制和调度。激光测风雷达提供的精确风场数据，可以帮助优化风电场内各风机的工作状态，避免风机之间的相互干扰，提高整体发电效率。同时，通过风电场的实时监测和数据分析，优化电力输出，平衡电网负荷。

四、 激光测风雷达技术与传统测风装置对比

4.1传统测风装置的弊端

目前传统的风速测量装置普遍安装在机舱尾部的气象架上，测风传感器类型多为机械式风速计、机械式风向标或超声波测风仪见图2。

传统测风装置的测量误差主要来自于三个方面：①测风设备的安装误差：由于大部分的风力发电机的风向仪安装没有采用标定设备，通常可能会产生2-10度安装误差。②风轮涡流的影响：风的气流在通过转动的风轮后，会产生很多涡流，使安装在机舱后部的风向仪测量不能准确地测量当时的瞬时风向。③旋转气流在机舱表面扰动引起的误差：气流通过一个旋转机械时，在其后部会产生一个旋转的气流场，这个气流场在风机机舱表面运动时，会对机舱后部的风向仪产生一个偏转风向，造成风向测量偏差。

图2：机械式风速、风向仪

4.2激光测风雷达优势

①高精度：激光测风雷达可以提供高空间分辨率和高时间分辨率的风场数据，精度高于传统的风速计和气象雷达。

②远距离探测：能够在数公里范围内探测风场情况，为风机的远程控制和预调提供数据支持。

③三维风场信息：可以同时获取风速、风向和垂直风速分量，提供全面的风场信息。

④实时监测：实时采集和处理风场数据，有助于风机的动态调整和优化运行。

五、激光测风雷达提升风机发电性能的实证研究

5.1某风电场运行情况分析

通过收集2022年全年的运行数据，统计分析每台风机机舱平均风速和风机发电功率，得到每台风机的功率曲线，通过对比选取功率曲线未达标的 F04 风机安装激光测风雷达进行研究（图3是F04 风机2022年的功率曲线）。

图3F04风机运行风速-功率分布及与合同约定功率曲线对比图
（黄色为实际功率曲线，红色为理论功率曲线）

在F04 风机机舱安装一套激光测风雷达装置，并将测量数据接入风机的控制系统，通过调整风机的控制策略优化风机的运行方式后，取 2023 年F04 风机全年风机运行情况进行分析，在风机监控系统中导出 2023年F04 风机实际功率曲线与理论功率曲线进行对比（情况见图4）。从图 4不难发现，F04 风机在安装激光测风雷达并优化风机控制策略后，风机的发电效率得到了明显的改善，在主要的风能捕获区（5~10m/s）风速区间，实际功率曲线由原来的低于理论功率曲线到优于理论发电功率曲线。

图4F04风机功率曲线与理论功率曲线对比(图中蓝色为F04风机实际功率曲线，红色为理论功率曲线)

选取与 F04 风机位置相近的F05风机，分别选取2022年和2023年的数据进行对比，F05风机2023年发电等效利用小时数较2022年增加了8.37%，F04 风机2023年发电等效利用小时数较2022年增加了12.55%，综合F04风机实际发电功率曲线较理论发电功率曲线提升情况，剔除风资源增加的因素，风机在安装激光测风雷达并优化风机控制策略后，整体发电利用小时提升4%左右。

5.2激光测风雷达应用效果评估

结合上述某风电场案例分析对比的结果，相同的风机在激光测风雷达装置应用前后发电效率明显提升。

六、挑战与未来发展方向

尽管激光测风雷达在风机发电性能提升中具有显著优势，但其应用也面临一些挑战。例如，设备成本较高，维护要求较高等。未来的发展方向主要集中在以下几个方面：

1成本降低：通过技术进步和规模化生产，降低激光测风雷达的制造和维护成本。

2技术优化：改进算法和数据处理技术，提高风场测量的精度和效率。

3集成应用：将激光测风雷达与其他测风技术、智能控制系统相结合，形成综合解决方案，进一步提升风机和风电场的性能。

4应用推广：加强激光测风雷达在不同类型风电场中的应用研究，积累更多的实际案例和经验，推动其在全球范围内的应用和普及。

七、结语：

本文通过探讨激光测风雷达技术在提升风机发电性能方面的应用与潜力，揭示了其在风能产业中的重要地位和作用。激光测风雷达技术的应用可以提高风机的发电效率，为风能产业的发展注入了新的活力。未来，随着技术的进步和成本的降低，激光测风雷达技术将进一步推动风能产业的发展，促进全球能源转型和绿色低碳发展的进程。

参考文献：

[1] 王晓峰, 李斌. 激光测风雷达在风电场风资源评估中的应用[J]. 可再生能源, 2019, 37(2): 45-50.

[2] 张华, 刘刚. 基于激光测风雷达的风电场风速测量误差分析[J]. 电力系统自动化, 2020, 44(9): 123-130.

[3] 赵宇, 孙强. 激光雷达技术在风能利用中的研究进展[J]. 太阳能学报, 2021, 42(3): 410-418.