機艙式測風激光雷達的應用

來自 搜狐網 的圖片

機艙式測風激光雷達的應用隨着中國風能產業的持續高速發展，中國已投產風電場已經位居世界第一位，截止2019年底，中國風電總裝機容量已經到達210.05GW，位於世界第一位，遠遠超過第二位美國105.6GW的裝機容量。風能已經成為中國的第三大能源來源，對中國的能源安全、綠色發展意義重大。

目錄

項目背景

激光雷達作為一種近年來興起的、新穎的測風手段，在風能領域有廣泛應用，具有下列主要優點：

（1）激光雷達可以準確測量整個葉輪高度的風速。以前，風機輪轂的高度通常在80米左右，而現在的輪轂高度已經超過120米，尤其是在平原地區等風切變較大的區域。建造如此高的測風塔，其成本已經非常高昂，後期的維護工作量更是非常大，而且更容易產生危險因素。面對高輪轂高度的測風需求，激光雷達可以高效、完美地解決這一問題。

（2）激光雷達可顯著降低風資源評估的誤差。常規的項目評估，通常採用測風塔進行風資源測量，然後利用風資源評估的商業軟件推算風電場各個機位的發電量，但是該方法具有較大的誤差。面對不同區域風資源差異這一問題，利用激光雷達對關鍵區域進行補充測量，可以顯著降低項目的投資風險，優化風機排布方案，提高項目收益率。

同時，現在平原地區的項目大多風切變較大，測風塔的測量高度通常遠低於風機最終採用的輪轂高度，如果僅採用測風塔推算更高高度的風速，會進入較大評估誤差。激光雷達可以測量高度300米內的風速和風參數，降低測風塔在風速垂直外推方面的風險，確定合理的風機輪轂高度，優化項目方案。

國際可再生能源服務與創新公司Ecofys認為，風資源評估主要存在四種誤差：系統誤差、垂直外推誤差、水平外推誤差、多年外推誤差。其項目評估結果表明：①僅使用測風塔進行風資源評估時，整體誤差為14%；②使用激光雷達進行多點位切換測量時，該方法會降低水平外推和垂直外推的誤差，使得整體誤差降至8%。

（3）激光雷達可以測量更多的風數據，更好地評估和優化風機性能。激光雷達，可測量更多高度層、更多類型的風參數數據，對於風機功率曲線的測量是非常有價值的數據，可以繪製更為精確的功率曲線，來評估和優化風機性能。同時，激光雷達的1Hz秒級數據，會提供風速場更高時間分辨率的信息，對於研究風資源特性、風機載荷、風機性能都是必要的輸入數據。

（4）激光雷達，可以增加項目融資機會。使用激光雷達，可以獲得更多更為信賴的數據，針對前期遺留的風資源問題進行針對性測量，同時可以節約設備部署時間和資金，提高投資者信心，提高項目的融資機會。

（5）激光雷達，可以克服測風塔建造和安裝的問題。陸上測風塔的建設需要占用一定範圍的土地，有時征地問題較難解決，並且存在一定的安全隱患，尤其是在平原等人口稠密的地區。海上測風塔的建造成本高昂，使用激光雷達可以顯著降低成本，同時規避海上惡劣環境下施工和運維的安全風險。

在過去十多年中，隨着風能行業的不斷發展和激光雷達的技術進步，激光雷達在風能領域得到了行業專家的普遍認可，廣泛應用於風速測量的各種場景，在陸地和海上都有大量的應用案例。在過去，風電行業主要依賴傳統的測風塔進行風速測量和風資源的評估，現在激光雷達不僅被行業普遍接受，而且已經成為必不可少的測風技術和手段。

成果簡介

1．立項的必要性

1)目前風電上網電價下調、去補貼的宏觀政策背景下，新項目的投資收益下降開發風險增大，存量項目優質屬性提升潛力開發難度加大，急需增強風機整體性能提升技術以提升風電場資產的效益。

2)眾多風電新能源企業均在布局和開展相關技術的的研究和應用工作，技術融合創新是風電新能源企業未來生命力的基本要素。

3)同時國家積極出台相關政策文件，在2018年11月2日山西省率先出台《山西省能源生產和利用設施智能化改造實施意見》，鼓勵風機及風電場智能化創新升級，繼續推進風電安全、環保、高效開發。

2．主要研究內容：

1)應用先進激光雷達技術提升風機發電量；

2)應用先進激光雷達技術降低風機疲勞載荷，降低維護費用；

3)應用先進智能實時視頻分析技術及時對葉片運行狀態進行監控；

4)應用多種傳感器先進智能寬帶物聯網絡技術獲取第一手輪轂氣象數據，配合風功率預測系統更加準確的預測未來風速，並更有針對性的預測總體功率；

5)建立適合風場應用的先進智能大數據分析雲平台。（含系統運維後台和APP，風電數據專業分析，仿真、處理應用、效能評估功能）。

推廣應用前景與措施

2020 年開始風電將實現平價上網，降低機組維護成本和提供機組發電量成為行業關注的焦點，該技術成果通過吸收國外成功經驗基礎上，引入激光雷達在風機機艙上進行測風，大大提高風機的感知能力，該技術優勢如下：

1)單風機電量提升1.5%到 3%之間。

2)通過降低機組載荷以及增加智能監視傳感，機組維護率降低5%~10%之間。

3)增強風功率預測數據準確性。

4)增加風電場的先進智能物聯網絡化和智能數字化應用能力。

項目擬制定的技術標準：

1)激光雷達測風標準。

2)多種傳感器數據融合分析標準。

項目擬制定企業技術標準所要規範的主要技術內容：

1)電量提升和疲勞載荷降載具體測定方法。

2)增強風功率預測數據模型。