金风科技刘磊: 激光雷达智能控制技术能够增加发电量,降低LCOE

能见APP 2019年10月24日 410

2019年10月21-24日,2019北京国际风能大会暨展览会(CWP2019)在北京隆重召开,大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展:绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来,已连续举办11届,成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

10月22日上午,CWP2019 IEA风能技术合作研究论坛在新国展召开。金风科技算法主任工程师刘磊出席论坛并发表题为《激光雷达智能控制技术在风电的应用和展望》的主题演讲。他表示,金风科技是IEA Wind Task32在国内的牵头单位,在缺乏雷达用于机组智能控制认证规范前提下,金风科技积极参与该技术开发应用及行业标准推进,为风电行业的进展贡献出了自己的一份力量。

以下为发言全文:

刘磊:各位风电行业的同仁,非常高兴有这个机会能够分享金风科技在激光雷达智能控制技术的进展情况。首先非常感谢中国风能协会能够组织中国风电行业参与到IEA Wind Task中,正如风能协会杜总刚刚的介绍,IEA Wind针对现在风电行业的热点和难点问题设立了一系列课题并组织国际协作来攻坚,IEA Wind Task 32就是其中一个主要的课题方向。

我先介绍一下Task32的背景,IEA Wind Task32全名为激光测风雷达在风能领域的部署应用,是2012年由DTU,SWE等机构联合创办的定期会议,之后Task 32执行委员会每年都会组织多次不同议题的研讨会。其主要的目的是联合科研机构及企业积极探索激光雷达技术在风能领域的应用方向,并且针对激光雷达应用中一些亟需攻坚的问题进行讨论,并提出解决思路和方案。Task 32课题主要聚焦于四个大的应用方向:第一个应用方向是场址的评估,比如海上风电场,采用激光雷达测风能够大幅降低成本;第二个应用方向是功率性能测试,应用激光雷达进行功率曲线测量;第三是激光雷达在载荷和控制的应用,这也是今天的要介绍的核心内容,稍后再做详细说明;第四是复杂流场的测量,比如风电场尾流和复杂地形的流场测量。金风科技是IEA Wind Task32在国内的牵头单位,通过跟踪、分享、讨论,积极参与到Task 32的课题工作中。

下面我对金风科技在雷达智能控制技术的开发和应用情况进行一个介绍。首先简要介绍一下雷达控制技术的理念。风是能量的源头,同时也是各种受力和载荷的源头,它时刻变化,复杂而难以预见,正式由于这种不确定性为风力发电机组的设计和应用增加了大量成本。由于无法预知风的情况,风作用到机组后才被动地执行响应,这是传统控制方式的盲区和痛点,好像在漆黑的夜晚开车,难免会产生颠簸。激光雷达智能控制技术给风机装上一双“慧眼”,提前感知来流风的多维、复杂的信息,通过先进的分析和控制算法,智能地控制风机适时的响应,随风而动,在大幅降低机组载荷的同时,提高发电量。

激光雷达智能控制技术的价值主要体现在以下三个方面,首先是降低机组的结构载荷,机组关键部位的载荷有5%到10%不同程度的降低;其次,可以提升机组的年发电量,提升比例约在2%的水平;同时,可以使机组运行更加稳定,优化转速的跟踪,使转速保持更加平稳,减少机组的变桨动作及历程,提前探测到极端风况并响应,降低极端风况引起的故障停机。

想要精准地实现机组控制,首先必须要知道风是什么样的,这就涉及到风域的重构。雷达探测到叶轮前沿激光波束方向的一系列风速信息,通过设计一系列先进的算法,根据流场的机理重构出风流场的信息,比如风速、风向、湍流、风切变、风偏转等,并作为后续的智能控制功能的输入。

有了准确的风速输入信息后,金风科技设计并开发了一系列的智能控制算法用于实现不同的价值目标,包括疲劳降载控制、智能偏航控制、极端风况控制、湍流控制,以及雷达IPC控制、风况自适应控制等。

下面简要从各个方向介绍一下原理和价值,首先说前馈降载控制,该控制功能通过提前捕捉叶轮前方风域信息,通过算法实现在最恰当的时刻执行机组响应以匹配风速的变化,达到降低机组载荷,提升机组的稳定性,扩展机组的适应能力的目标。

第二,智能偏航控制,通过预测偏航使机组更长时间处于风能最大的位置,这套技术可以有效消除对风的平均偏差同时收窄对风偏差的分布范围,使机组更准确的对风,并且更长时间对准风,提升机组的发电量。

第三,尾流控制算法。尾流效应一般会带来两个方面的不利的影响:使下游机组发电量降低以及引起额外的扰动从而增加下游机组的载荷。我们可以想象成在交通拥堵的时候需要疏导车流,同样也需要在风电场通过控制方法来疏导机组的尾流,从而提升发电量和机组部件寿命。

第四,极端风况控制。通过该功能可以提前探测并识别到极端的入流风况,并执行相应控制算法让机组提前响应恶劣的风况,提升机组的稳定性和适应性。

第五,湍流控制,通过对入流风况湍流强度的识别,可以实现两个不同的控制目标:低湍流下增功和高湍流下降载,通过对湍流的辨识和控制策略自动调度,可以使机组更多的发电。

前面介绍了各个雷达智能控制的功能和价值,在每一项功能被推广应用之前,都需要完成一些依照规范的确认和认证工作。在雷达控制技术的认证上,金风科技与第三方认证机构DNV-GL共同进行了一个激光雷达智能控制的长期、深入的技术认证,在过程中共同讨论具体的步骤和准则。大家都知道激光雷达控制技术目前没有已发布的行业标准及认证规范,在技术认证过程中我们与认证机构一起补充完善认证的流程和步骤,这个工作是非常有价值的,也为今后形成行业规范作为一个储备。最终,在2019年金风科技获得了国际权威机构DNV-GL颁发的全球第一个雷达控制技术认证证书,该证书可以将雷达控制技术适配到多种机型;并且后续获得了DNV-GL颁发的,也是全球第一张,适配雷达智能控制技术的机组型式认证证书。

目前,金风科技已经将雷达智能控制技术应用到国内外的市场。截止目前,在国内10余省市,24个项目,共469台机组上进行了应用;并在国外4个国家,4个项目,4台机组上进行了应用推广。以后金风科技依然会积极地参与这项技术的推广以及相关的规范制订当中,为实现更低LCOE的目标,为风电行业的进展贡献出自己的一份力量。