풍력 산업을 위한 Wind LiDAR의 응용 프로그램

풍력 산업의 여러 시나리오에서 풍력 측정 라이더의 적용과 연구를 통해 풍력 산업에 더 이상 낯설지 않은 제품이 되었습니다. 풍력 관련 엔지니어는 작업할 때 바람 측정을 위한 중요한 도구로 바람 측정 라이더를 선택합니다. 풍력 측정 라이더 제조업체, 풍력 터빈 OEM 및 풍력 발전 소유자의 끊임없는 노력 덕분에 풍력 측정 라이더의 가격은 몇 년 전과 비교하여 크게 하락했으며 풍력 시장 용량도 크게 증가했습니다. 측정 라이더. 불완전한 통계에 따르면 2020년 국내 풍력 산업은 150개 이상의 지상 기반 풍력 측정 라이더와 거의 1,000개의 나셀 장착 풍력 측정 라이더를 제공했습니다. 5년 전만 해도 해당 수치는 10개 미만, 5개 미만이었다. 시장 용량의 성장은 또한 바람 측정 라이더의 산업 체인과 라이더 제조업체의 제품 개발 능력을 최적화했습니다. 이러한 변화는 계속해서 시장에 영향을 미칠 것이며, 바람 측정 라이더의 가격은 앞으로 더 낮아질 것이며, 이는 "탄소 제로" 목표에 크게 기여하는 바람 라이더의 추세를 형성할 수밖에 없습니다.

다양한 풍력 프로젝트 단계에서 Wind LiDAR의 적용

	프로젝트 발굴	설계 및 평가	작업	오래된 풍력 발전 단지 개조 / 재판매
풍력 자원 평가	투자 가능성 평가	마이크로 사이트 위험 영역에 대한 추가 테스트		위험 영역에 대한 추가 테스트 투자 가능성 평가
풍력 터빈 성능 평가			요 분석 NTF 수정 전력 곡선 검증 부하 연구/평가 풍력 예측	전력 곡선 검증 정적 요 제어
부하 제어 및 최적화		풍력 터빈 선택 타워 및 기초 설계 최적화	풍력 터빈 수명 연장 기상 모니터링 동적 요 제어 필드 그룹 제어	블레이드 길이 확장 풍력발전단지 확장 편요오 정렬 보정

현재 시장에는 바람 측정 라이더에 대한 두 가지 주요 기술 경로, 즉 펄스 간섭 감지 및 연속 간섭 감지가 있습니다. 응용 프로그램에는 지상 기반 바람 측정 라이더, 나셀 장착 바람 측정 라이더 및 3D 스캐닝 라이더가 포함됩니다. 이 문서는 주로 풍력 산업에서 펄스 간섭 감지 응용 프로그램에 대해 설명합니다. 펄스 간섭 탐지 바람 Lidar의 측정 원리는 다음과 같습니다. 레이저는 신호 빛을 생성하고 광학 안테나와 스캐닝 메커니즘을 통해 측정 대상 공기 중으로 전송하고, 그 안의 에어로졸 입자와 상호 작용하여 자신을 포함하는 후방 산란 신호를 생성합니다. 속도 정보. 도플러 원리로부터 에코 신호의 도플러 주파수 편이 fd는 에어로졸 입자의 이동 속도(즉, 풍속)에 비례하므로 광안테나에서 수신한 후방 산란 신호는 국부 안테나를 통과함을 알 수 있습니다. 시스템에서 파이버 레이저에 의해 생성된 발진기. 광 비트 주파수와 디지털 복조를 처리하여 방사형 풍속을 얻을 수 있습니다. 스캐닝 메커니즘은 레이저 방출 방향, 방출 주파수 및 주기적인 빔의 수를 제어한 다음 해당 기간의 방사형 풍속이 목표 풍속으로 합성되는 시간-공간 모델을 구축합니다. 예를 들어, Molas B300 지상 기반 윈드 라이더는 VAD 스캐닝 방식을 채택하여 4개의 빔을 통해 공간 벡터 풍속을 얻은 다음 수평 풍속, 풍향 및 수직 풍속을 얻습니다.

지상 기반 풍력 LiDAR의 애플리케이션

지상 기반 바람 측정 라이더는 풍력 산업에서 가장 초기의 응용 프로그램입니다. 그것의 출현은 바람 측정 타워 시장의 일부를 대체했으며 일부 바람 측정 타워가 완료할 수 없는 작업을 보완했습니다.

풍력 타워와 비교할 때 풍력 Lidar는 다음과 같은 장점이 있습니다.

#1 장거리

풍력 터빈 로터 전체를 덮을 수 있는 최대 300m 측정 가능

#2 유연한 배포

설치가 간편하고 반복 사용 가능

#3 빠른 설정

같은 날 설정이 가능하고 동시에 바람 데이터를 가져오기 시작합니다.

#4 개발 친화적

토지 사용이 적고 지방 정부, 당국 및 주민들이 쉽게 수용할 수 있습니다.

#5 낮은 안전 위험

훨씬 적은 건설 작업, 높은 위험에서 작업 없음

#6 환경 적응형

-40℃와 50℃ 사이 및 눈 또는 얼어붙은 날씨에서 작동 가능

지상 기반 풍력 측정 라이더에 대한 국제 표준(IEC61400-12-1) 제정, 제3자 권위 있는 기관의 인증 및 시험, 풍력 산업에서의 수많은 응용 및 연구로 측정 정확도 업계에서 널리 인정받고 있으며 점점 더 많은 OEM, 제3자 조직 및 소유자가 풍력 발전 단지 건설의 모든 단계에서 이를 사용합니다. 주요 응용 프로그램에는 풍력 자원 평가, 전력 곡선 테스트, 풍력 예측, 부하 테스트 등이 포함됩니다.

1) 풍력자원 평가

풍력 단지의 거시적 부지 선정 단계에서 단기 바람 측정을 위한 바람 측정 라이더를 사용하면 프로젝트 투자를 계속할지 여부를 신속하게 결정할 수 있어 시간과 비용을 절약하고 가장 경제적인 수단으로 프로젝트 위험을 줄일 수 있습니다.

미세 부지 선정 단계에서 풍력 타워 데이터와 결합된 바람 측정 라이더 단기 바람 측정을 사용하면 전체 풍력 발전 단지의 풍력 자원, 특히 풍력 터빈 부지의 풍력 자원을 보다 정확하게 시뮬레이션할 수 있어 효과적으로 피할 수 있습니다. 단일 장치의 투자 위험은 발전 수입을 정확하게 계산하고 장치의 안전 특성을 보장합니다.

해상 풍력 발전의 급속한 발전으로 해상 풍력 자원 평가가 업계에서 시급한 요구가 된 반면, 전통적인 해상 풍력 타워는 비싼 비용, 복잡한 승인 절차, 긴 건설 기간 등의 단점이 있습니다. 바람 측정 LiDAR는 이제 해상풍력 측정을 위한 첫 번째 선택. 육상 풍력 측정과 달리 해풍 측정의 라이다에는 해당 물리적 캐리어가 필요하며 현재 캐리어는 고정 플랫폼과 부표 두 가지 형태이며, 그 중 플랫폼은 석유 시추 플랫폼, 등대, 부스트와 같은 기존 고정 캐리어를 나타냅니다. 스테이션 등, 해상 플랫폼 풍력 측정 투자는 작지만 플랫폼 자원을 찾을 수 없습니다. 캐리어로 부표 (Flidar)는 현재 해상 풍력 측정의 주류 형태가 되었습니다. IEAWind TCP TASK32는 Flidar 관련 표준을 개발 중이며, 관련 표준의 도입은 Flidar의 사양 활용 및 관련 기술 개발에 도움이 될 것입니다. 국가의 상대적으로 중요한 자원으로서 데이터의 안전성과 신뢰성이 특히 중요하며 Flidar가 탑재한 풍향 측정 라이더의 국산화는 주요 발전 트렌드가 될 것입니다.

2) 전력 곡선 테스트

IEC61400-12의 규정에 따르면 국제 전기 기술 위원회(International Electrotechnical Commission)에서 발행한 풍력 터빈 전력 곡선 검증 표준에 따르면 풍력 터빈 전력 곡선의 측정은 풍력 타워에서 이루어져야 하며 위치와 발전기 세트 사이의 거리는 다음과 같아야 합니다. 풍력 터빈 직경의 2~4배가 되어야 하며, 바람 측정 타워는 선택한 측정 부문에 위치해야 합니다. 그러나 풍력발전단지 건설이 완료된 후 기존에 건설된 풍력발전탑 위치는 전력곡선 시험의 요구사항을 충족하기 어렵고 새로운 풍력발전타워에는 지형, 토지취득, 건설주기, 가격 등으로 인해 검정력 곡선 테스트의 구현이 더 어려워집니다. IEC61400-12 표준의 2017 개정판에서는 바람 측정 라이더의 유연한 배치 및 전력 곡선 테스트의 기타 특성으로 인해 전력 곡선 테스트에 사용할 수 있는 장비 목록에 바람 측정 라이더가 포함되었습니다. 프로젝트의 쉬운 구현, DNVGL, Windguard 및 실제 테스트 응용 프로그램에 대한 기타 기술 기관.

3) 풍력발전 전망

전력 시스템의 안전하고 안정적인 운영을 보장하고 국가 재생 에너지 정책을 구현하며 풍력 계통 연계 파견 및 운영 관리를 표준화하려면 계통에 연결된 모든 풍력 발전 단지가 풍력 발전을 예측할 수 있어야 합니다. , 그리고 필요에 따라 풍력 예측 및 예측을 수행합니다. 풍력 예측의 전통적인 바람 측정 방법은 풍력 발전소 후류 및 풍력 발전소 지배적인 바람의 영향을 받지 않는 풍력 발전소로부터 5km 이내에 풍력 측정 타워를 건설하는 것입니다. 윈드타워는 겨울철에 동결되는 문제로 인해 붕괴사고가 발생하기 쉽고, 심각한 안전 위험이 있으며, 데이터 중단 후 계통 평가를 일으키기 쉽습니다. 풍력 타워의 건설은 또한 복잡한 토지 취득 절차, 긴 건설 기간, 높은 비용 및 어려운 유지 보수가 있습니다. 큰 바람 측정 높이, 작은 설치 공간, 짧은 건설 기간, 높은 신뢰성 및 붕괴 위험이 없는 Lidar는 전력 예측 시스템에서 점차 이점을 보여주었습니다. 작고 안전한 라이더의 특성에 따라 조건이 허용하는 경우 소유자는 풍력 타워와 비교하여 건설 절차 또는 유지 보수 여부에 관계없이 부스터 스테이션에 라이더를 배치하도록 선택할 수 있습니다. 특히 해수면 상승 스테이션, 풍력 타워 대신 라이더를 사용하면 경제적 이점이 더 두드러집니다.

Nacelle Mounted Wind LiDAR의 응용 분야

나셀 바람 측정 라이더는 지상 기반 풍력 측정 라이더와 풍력 타워의 기능 간의 높은 중첩 정도와 달리 풍력 발전 산업의 새로운 응용 프로그램으로 풍력 터빈 앞에서 풍속을 측정할 수 있습니다. 블레이드 난류의 영향을 받지 않고 블레이드를 작동시키고 주요 응용 분야에는 피드포워드 제어, 편요각 보정 및 전력 곡선 테스트가 포함됩니다.

1) 피드포워드 제어

피드포워드 제어는 나셀 라이더의 주요 응용 분야입니다. 현재 전 세계적으로 1500개 이상의 장치가 나셀 풍력 라이더를 풍력 터빈의 제어 시스템에 연결했습니다. 그리고 90% 이상의 나셀 윈드 라이다에는 4개 이상의 빔이 있습니다. 그 이유는 더 많은 빔이 블레이드 앞에서 더 풍부한 유입 흐름 정보를 얻은 다음 전체 로터 표면의 풍속을 시뮬레이션할 수 있기 때문입니다.

나셀 윈드 라이더에 기반한 피드포워드 제어는 다음을 가능하게 합니다.

(1) 2% 이상으로 장치의 전력 생성을 증가시키는 지능형 요.

(2) 피로 부하 감소, 로터 속도 변동 및 전력 변동 감소

(3) 궁극의 바람 상태 제어를 실현하고 한계 하중을 줄입니다.

(4) 복잡한 바람 상태 제어를 실현하고 풍력 터빈의 작동 위험을 줄입니다.

(5) 바람 조건의 적응 제어, 바람 조건에 따른 제어 전략의 유연한 배치

(6) 풍력 발전 단지의 다중 터빈 네트워크 제어는 전체 풍력 발전 단지에 대한 기상 영향을 줄이고 전체 풍력 발전 발전을 증가시킵니다.

많은 요인의 영향을 받아 풍력 터빈에서 나셀 풍력 라이더의 인기는 기대에 미치지 못합니다. 최근 몇 년 동안 거의 모든 풍력 터빈 OEM이 나셀 풍력 라이더를 기반으로 하는 피드포워드 제어 기술에 강한 관심을 표명하고 해당 테스트를 시작했습니다. 연구에 따르면 나셀 풍력 라이더 비용에 대한 연구 및 통제가 심화됨에 따라 나셀 풍력 라이더 시장이 크게 개선되고 풍력 터빈의 표준 구성 요소가 될 것입니다.

2) 요 보정

나셀 윈드 라이더의 사용은 두 가지 요 모드를 달성할 수 있습니다. 첫 번째 모드는 실시간 요 제어를 달성하기 위해 풍력 터빈 주 제어 시스템으로 들어가는 앞서 언급한 나셀 윈드 라이더입니다. 두 번째는 일정 기간(대부분 약 한 달) 동안 풍력 터빈에 나셀 윈드 라이더를 설치하여 터빈 방향과 풍향 사이의 편차 정보를 수집하고 측정 후 나셀 윈드 라이더를 분해하고 편차를 계산하는 것입니다. 나셀 풍력 라이더 데이터를 통해 단위 방향을 변경하고 풍력 터빈 제어 시스템으로 편차 값을 수정하여 편요 보정의 목적을 달성합니다. 모드 1은 요 목표를 달성하기 위해 풍력 터빈 제어 전략과 협력해야 하지만 모드 2의 나셀 레이더는 구현하기 더 쉬운 주 제어 시스템에 연결할 필요가 없으므로 모드 2가 많은 고객.

3) 전력 곡선 테스트

IEC61400-12 규격은 파워커브 계산을 위해 풍속의 2~4배의 임펠러 직경을 사용할 것을 제안하고 있으며, 피드포워드 제어를 위한 일반적인 나셀 윈드 라이더 범위는 200m 미만이며, 전체 측정이 가능하도록 한다. 로터 표면 풍속, 상하 빔 장력 각도가 너무 커서 풍속의 2-4 배의 로터 직경을 측정 할 수 있어도 합성 풍속과 실제 풍속은 큰 편차를 갖습니다. 따라서 파워 커브 테스트에 적합한 나셀 윈드 라이더가 필요했습니다. 무브레이저가 선보인 Molas NL400은 기존 나셀 윈드 라이더에서 개선되었으며, 측정 범위가 400m로 업그레이드되어 유닛 직경에서 로터 직경의 2~4배의 풍속을 쉽게 측정할 수 있습니다. 장거리에서 풍속의 정확도를 보장하기 위해 상부 및 하부 장력 각도를 10°로 변경했습니다. 나셀 윈드 라이더에 대한 전력 곡선 테스트를 위한 현재 표준 IEC61400-50-3이 준비 중이며 2022년에 공포될 예정입니다. DTU 주관으로 작성된 나셀 윈드 라이더 기반의 전력 곡선 테스트 방법이 공개되었습니다. .

캐빈 레이더는 유닛에 장착되어 터빈의 회전을 동반하므로 파워 커브 테스트를 위해 풍력 타워 또는 지상 기반 레이더를 사용하는 것과 비교하여 데이터 가용 섹터는 풍향의 영향을 받지 않으며, 각 풍속 구간의 풍속 데이터를 더 짧은 시간에 수집할 수 있습니다. 타워 또는 지상 기반 레이더를 설치하거나 산악 지역 및 바다에 설치할 수 없는 지역의 경우 전력 곡선 테스트에 나셀 라이더를 사용하는 이점이 더 분명합니다.

풍력 산업을 위한 Wind LiDAR의 애플리케이션