激光雷達（LightDetection andRanging，簡稱LiDAR），是利用激光來進行探測的遙感設(shè)備。測風(fēng)激光雷達，是利用氣溶膠的多普勒效應(yīng)進行風(fēng)場測量的激光雷達。測風(fēng)激光雷達采用可見光或近紅外波段進行主動遙感測量，具有下列優(yōu)點：高時空分辨率、強抗干擾能力、準(zhǔn)確的測量精度、可全天不間斷工作。

測風(fēng)激光雷達，可分為多個種類：地面風(fēng)廓線激光雷達、地面掃描激光雷達、長距式機艙雷達、控制式機艙雷達^[1]。激光雷達前饋控制技術(shù)(LiDAR-assistedTurbine-Control)，是利用控制式激光雷達，對風(fēng)機控制策略進行優(yōu)化，以降低載荷、提高風(fēng)機的適用性、提高風(fēng)電量、延長風(fēng)機壽命。圖1是激光雷達前饋控制技術(shù)的示意圖：在經(jīng)典的風(fēng)機控制策略中，風(fēng)機根據(jù)不同的風(fēng)況和風(fēng)機運行狀態(tài)被動地調(diào)整風(fēng)機控制策略，已達到控制系統(tǒng)的預(yù)訂目標(biāo)；激光雷達前饋控制技術(shù)，是在經(jīng)典的風(fēng)機控制策略中，通過激光雷達的實際測量來提前調(diào)整風(fēng)機運行狀態(tài)，以適應(yīng)復(fù)雜的風(fēng)況。

圖1：激光雷達前饋控制技術(shù)的示意圖

激光雷達前饋控制技術(shù)，被證明是風(fēng)能行業(yè)中有發(fā)展前景的技術(shù)。在風(fēng)電機組的功率驗證、載荷測試、偏航修正、變槳控制等方面，均可為風(fēng)電機組前饋控制提供可靠的輸入?yún)?shù)^[2]。激光雷達測量的風(fēng)速信號，可作為前饋控制器的輸入?yún)?shù)，在激光雷達信號的幫助下，前饋控制的槳距角控制器能夠抑制風(fēng)速變化引起的擾動并減少風(fēng)機葉片和塔架的載荷^[3]。在陣風(fēng)工況下，整套方法能夠有效減小風(fēng)機重要部件的載荷，并有效降低風(fēng)機發(fā)生超速、過功率重大故障的風(fēng)險^[4]。在氣流到達葉輪之前，控制器就已經(jīng)接收到超前信號，提前準(zhǔn)備變槳動作，避免或減少風(fēng)力發(fā)電機組的超速故障，降低機組載荷，提高了風(fēng)力發(fā)電機組在極端風(fēng)況下的安全性，進而有助于提高發(fā)電量，改善風(fēng)力發(fā)電機組的運行效率^[5]。

1.1 激光雷達的實際測量

激光雷達的測量性能，該項技術(shù)的基礎(chǔ)，測量的精度決定了算法對風(fēng)速狀況的識別能力，進而決定了最終風(fēng)機的控制效果。研究結(jié)果表明，40米到200米是前饋控制的關(guān)鍵區(qū)域，對該區(qū)域的精確測量是最為重要的。如果僅采用一個測量距離的激光雷達，塔底的損耗等效載荷（DEL）僅可降低8.9%，葉片根部的損耗等效載荷降低3.8%；如果采用多個測量距離的激光雷達（從50米到160米），塔底的損耗等效載荷（DEL）可以降低13.7%，葉片根部的損耗等效載荷可以降低5.4%^[6]。多個測量距離對于分析風(fēng)場特征，有非常重要的作用。

圖2：激光雷達在風(fēng)場中測量的示意圖

1.2 風(fēng)機前的風(fēng)場預(yù)測

激光雷達前饋控制的目標(biāo)是保護風(fēng)機機組，減少極限載荷和疲勞載荷。為達到這一目標(biāo)，需要向控制器提供可靠和準(zhǔn)確的風(fēng)數(shù)據(jù)，從復(fù)雜風(fēng)場中提取關(guān)鍵的風(fēng)參量，IFPEnergies nouvelles(IFPEN)和Leosphere合作開發(fā)了相關(guān)的風(fēng)場算法，并通過一系列現(xiàn)場測量優(yōu)化了算法，最后用風(fēng)場預(yù)測作為主控的主要控制參量。

算法開發(fā)時考慮了空間和時間上風(fēng)場的相關(guān)性，基于多光束、多距離、較高時間采樣頻率的測量數(shù)據(jù)。氣流在向風(fēng)機移動的過程中，風(fēng)速會發(fā)生變化，同時由于風(fēng)機的阻擋效應(yīng)，氣流的風(fēng)速會存在一定減弱效應(yīng)，算法要同時考慮風(fēng)速的演變過程和風(fēng)機的阻擋效應(yīng)?，F(xiàn)代風(fēng)機的直徑越來越大，需要考慮葉輪空間平面上的整體風(fēng)速狀況，因此引入葉輪平均風(fēng)速作為主要參數(shù)。同時，為了區(qū)分風(fēng)場的特征，還要考慮垂直和水平風(fēng)切變、湍流強度等一系列風(fēng)參數(shù)。

1.3 控制策略優(yōu)化

風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)單元控制的研究主要有槳距控制、偏航控制、發(fā)電機與變流器控制三類，經(jīng)典的控制算法，可以采用PID控制，現(xiàn)代的控制算法主要有最優(yōu)控制、魯棒控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、非線性自適應(yīng)控制和智能算法控制^[7]。風(fēng)場預(yù)測的引入，可以提高控制策略的能力，使得風(fēng)機變得智能。

圖3是將激光雷達集成到風(fēng)機后的實際測量結(jié)果，圖中RAWS為葉輪等效風(fēng)速，黃色線是通過風(fēng)機功率計算的葉輪等效風(fēng)速，藍色線為0秒風(fēng)速預(yù)測，紅色線是5秒后的風(fēng)速預(yù)測。

風(fēng)機功率計算的葉輪等效風(fēng)速是較為客觀的參考值，由于葉輪具有較大的慣性，葉輪對于風(fēng)能的吸收具有一定的時間尺度，可以驗證RAWS風(fēng)速預(yù)測的代表性。0秒風(fēng)速預(yù)測與葉輪等效風(fēng)速有很好的一致性，表明激光雷達前饋控制技術(shù)對于風(fēng)場的識別是準(zhǔn)確的。同時，從圖中可以看出，5秒后的風(fēng)速預(yù)測提前另外兩條曲線，表明了激光雷達前饋控制技術(shù)的可行性，風(fēng)速預(yù)測是風(fēng)機控制策略很好的指示參數(shù)。

圖3：葉輪等效風(fēng)速RAWS的時間序列圖（黃色線是風(fēng)機功率計算的葉輪等效風(fēng)速，藍色線為0秒風(fēng)速預(yù)測，紅色線是5秒后的風(fēng)速預(yù)測）

風(fēng)場預(yù)測，常常采用湍流凍結(jié)假設(shè)^[8]。凍結(jié)假設(shè)對于風(fēng)速場的隨時間的演變不能很好的估計。圖4對比了新算法與傳統(tǒng)算法的區(qū)別，新算法提高了風(fēng)速預(yù)測的準(zhǔn)確性。該算法已經(jīng)嵌入到激光雷達中，并用SmartEole項目進行了測試（SMARTEOLE，2015-2019，https://smarteole2018.sciencesconf.org/）。同時其他類型的風(fēng)機上進行了廣泛測試，現(xiàn)有結(jié)果表明，激光雷達前饋控制技術(shù)是有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)。

圖4：相關(guān)性隨頻率的變化

表1總結(jié)了激光雷達前饋控制技術(shù)的應(yīng)用方向及潛在收益。行業(yè)現(xiàn)有資料顯示，激光雷達前饋控制技術(shù)可以顯著降低風(fēng)機載荷。載荷的降低是激光雷達前饋控制技術(shù)最為重要的效果，載荷降低后，會帶來一系列的收益，并可提升風(fēng)機的適用性。同時，激光雷達可以監(jiān)測風(fēng)機運行的風(fēng)況，客觀評估風(fēng)機性能。

表1：激光雷達前饋控制技術(shù)的應(yīng)用方向及潛在收益

激光雷達前饋控制技術(shù)(LiDAR-assistedTurbine-Control)，是利用控制式激光雷達，對風(fēng)機控制策略進行優(yōu)化，以降低載荷、提高風(fēng)機的適用性、提高風(fēng)電量、延長風(fēng)機壽命。激光雷達前饋控制技術(shù)，被證明是風(fēng)能行業(yè)中有發(fā)展前景的技術(shù)。

激光雷達前饋控制技術(shù)的實現(xiàn)，需要三方面的條件：激光雷達的測量性能、風(fēng)速預(yù)測、風(fēng)速預(yù)測對控制策略的優(yōu)化。激光雷達的測量性能是技術(shù)基礎(chǔ)，測量精度決定了算法對風(fēng)速狀況的識別能力，進而決定了最終風(fēng)機的控制效果。風(fēng)速預(yù)測，可以向控制器提供可靠和準(zhǔn)確的風(fēng)數(shù)據(jù)，從復(fù)雜風(fēng)場中提取關(guān)鍵的風(fēng)參量?？煽康娘L(fēng)速預(yù)測是控制策略的參考標(biāo)準(zhǔn)，可以優(yōu)化控制策略，使得風(fēng)機變得智能。

行業(yè)現(xiàn)有資料顯示，激光雷達前饋控制技術(shù)可以顯著降低風(fēng)機載荷。載荷的降低是激光雷達前饋控制技術(shù)最為重要的效果，載荷降低后，會帶來一系列的收益，并可提升風(fēng)機的適用性。同時，激光雷達可以監(jiān)測風(fēng)機運行的風(fēng)況，客觀評估風(fēng)機性能。

圖5：激光雷達集成在風(fēng)機后的照片

參考文獻：

[1]梁志，“機艙式激光雷達在風(fēng)電后市場領(lǐng)域的應(yīng)用方向與案例分析，”《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》，2019.

[2]張超越，董曄弘，and莫蕊瑜，“基于激光雷達測風(fēng)在距離加權(quán)下的風(fēng)速重構(gòu)算法，”能源與節(jié)能，2019,doi: 10.16643/j.cnki.14-1360/td.2019.12.018.

[3]王夢玲，“基于激光雷達的大型風(fēng)機前饋控制技術(shù)，”電子世界，vol.6, no. V, 2016, doi: 10.19353/j.cnki.dzsj.2016.24.075.

[4]盧曉光，李鳳格，and許明，“基于激光測風(fēng)的陣風(fēng)控制研究，”機械與電子，pp.68–70, 2016.

[5]林淑，蘭杰，莫爾兵，林志明，and王其君，“基于激光測風(fēng)雷達的風(fēng)速前饋控制算法設(shè)計，”東方汽輪機，no.2, pp. 51–56, 2017, doi: 10.13808/j.cnki.issn1674-9987.201.

[6]D. Schlipf and F. Haizmann,“Evaluation of the Wind Iris TC Measurement Capabilities forLidar-Assisted Control sowento Project Report,” pp. 1–12, 2018.

[7]杜彬，“高低風(fēng)速下大規(guī)模風(fēng)電場功率爬坡有限度控制策略研究_杜彬，”上海電機學(xué)院，2017.

[8]S. Davoust and D. Von Terzi,“Analysis of wind coherence in the longitudinal direction usingturbine mounted lidar,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 753, no.7, 2016, doi: 10.1088/1742-6596/753/7/072005.

作者：LeosphereSAS 梁志、RobinCOTE、MatthieuBOQUET

IFPEnergies nouvelles FabriceGUILLEMIN