Wind LiDAR's toepassingen voor de windindustrie

Met de toepassing en het onderzoek van windmeting lidar in meerdere scenario's in de windenergie-industrie gedurende vele jaren, is het niet langer een onbekend product voor de windenergie-industrie. Windenergie-gerelateerde ingenieurs zullen windmeting lidar kiezen als een belangrijk hulpmiddel voor windmeting wanneer ze aan het werk zijn. Dankzij de niet-aflatende inspanningen van windmeetlidar-fabrikanten, windturbine-OEM's en eigenaren van windenergie, is de prijs van windmeting-lidar sterk gedaald in vergelijking met een paar jaar geleden, wat ook heeft geleid tot een aanzienlijke toename van de marktcapaciteit van wind meting lidar. Volgens onvolledige statistieken heeft de binnenlandse windenergie-industrie in 2020 meer dan 150 windmeetlidars op de grond en bijna 1.000 op de gondel gemonteerde windmeetlidars geleverd. Vijf jaar geleden waren de overeenkomstige cijfers minder dan 10 eenheden en minder dan 5 eenheden. De groei van de marktcapaciteit heeft ook de industriële keten van windmetingslidar en de productontwikkelingsmogelijkheden van lidarfabrikanten geoptimaliseerd. Deze veranderingen zullen de markt blijven voeden en de prijs van lidar voor windmeting zal in de toekomst verder worden verlaagd, wat ongetwijfeld een trend zal vormen voor wind Lidar die aanzienlijk bijdraagt aan de doelstelling "Zero Carbon".

Toepassing van Wind LiDAR's in verschillende fasen van windprojecten

	Project prospectie	Ontwerp en beoordeling	Operatie	Oud windmolenpark retrofit / wederverkoop
Beoordeling van windbronnen	Investeerbaarheidsbeoordeling	Micro-Sitting Aanvullend testen van risicogebieden		Aanvullend testen van risicogebieden Investeerbaarheidsbeoordeling
Prestatiebeoordeling windturbine			Yaw-analyse NTF-correctie Machtscurve validatie Studie/Beoordeling laden Voorspelling van windenergie	Machtscurve validatie Statische giercontrole
Laadcontrole en -optimalisatie		Selectie windturbine Optimalisatie van toren- en funderingsontwerp	Levensduurverlenging windturbine Wake Monitoring Dynamische giercontrole Veld groepsbesturing	Uitbreiding meslengte Uitbreiding windpark Correctie van verkeerde uitlijning van de gier

Op dit moment zijn er twee belangrijke technische routes voor windmeting lidar op de markt, namelijk pulserende coherente detectie en continue coherente detectie. De aanvraagformulieren omvatten lidar voor windmeting op de grond, lidar voor windmeting op gondels en lidar voor 3D-scanning. Dit artikel bespreekt voornamelijk gepulseerde coherente detectietoepassingen in de windenergie-industrie. Het meetprincipe van gepulseerde coherente detectiewind Lidar is als volgt: de laser genereert signaallicht en zendt het in de lucht om te worden gemeten via de optische antenne en het scanmechanisme, en werkt samen met de aerosoldeeltjes erin om een terugverstrooid signaal te genereren dat zijn snelheid informatie. Het is bekend uit het Doppler-principe dat de Doppler-frequentieverschuiving fd van het echosignaal evenredig is met de bewegingssnelheid van de aerosoldeeltjes (dat wil zeggen de windsnelheid), dus het terugverstrooide signaal dat door de optische antenne wordt ontvangen, gaat door de lokale oscillator gegenereerd door de fiberlaser in het systeem. De optische slagfrequentie en digitale demodulatie kunnen worden verwerkt om de radiale windsnelheid te verkrijgen. Het scanmechanisme regelt de laseremissierichting, emissiefrequentie en het aantal periodieke bundels, en bouwt vervolgens een tijd-ruimtemodel, waaronder de radiale windsnelheid in de periode wordt gesynthetiseerd in de beoogde windsnelheid. De Molas B300 op de grond gebaseerde windlidar gebruikt bijvoorbeeld de VAD-scanmethode om de windsnelheid van de ruimtevector te verkrijgen via 4 stralen en vervolgens de horizontale windsnelheid, windrichting en verticale windsnelheid te verkrijgen.

Op de grond gebaseerde toepassingen van LiDAR's voor windenergie

Landgebonden windmeting lidar is de vroegste toepassingsvorm in de windenergie-industrie. De opkomst ervan heeft een deel van de markt voor windmeettorens vervangen en maakte het werk goed dat sommige windmeettorens niet kunnen voltooien.

Ten opzichte van windtorens heeft wind Lidar de volgende voordelen:

#1 Lange afstand

Kan tot 300 m meten, wat de hele rotor van de windturbine kan bedekken;

#2 Flexibele implementatie

Eenvoudig te installeren en herhaaldelijk te gebruiken

#3 Snelle installatie

Kan op dezelfde dag worden ingesteld en tegelijkertijd de windgegevens ontvangen.

#4 Ontwikkelingsvriendelijk

Lager landgebruik en gemakkelijk te accepteren door de lokale overheid, autoriteiten en bewoners

#5 Laag veiligheidsrisico

Veel minder bouwwerkzaamheden, geen risico op werken op hoogte

#6 Omgevingsadaptief

Kan werken tussen -40℃ en 50℃, en onder sneeuw of bevroren weer

Met de oprichting van de internationale norm voor lidar voor windmetingen op de grond (IEC61400-12-1), de certificering en het testen van gezaghebbende organisaties van derden, en een groot aantal toepassingen en onderzoek in de windenergie-industrie, is de meetnauwkeurigheid is algemeen erkend in de industrie en steeds meer OEM's, externe organisaties en eigenaren gebruiken het in alle stadia van de bouw van windmolenparken. De belangrijkste toepassingen zijn: beoordeling van windbronnen, testen van vermogenscurves, voorspelling van windenergie, testen van belasting, enz.

1) Beoordeling van windbronnen

In de macro-locatieselectiefase van het windpark kan het gebruik van lidar voor windmeting voor kortetermijnwindmetingen snel beslissen of de projectinvestering moet worden voortgezet, waardoor tijd en kosten worden bespaard en het projectrisico met de meest economische middelen wordt verminderd.

In de micro-locatiefase kan het gebruik van windmeting lidar korte termijn windmeting in combinatie met windtorengegevens nauwkeuriger de windbronnen van het hele windpark simuleren, met name de windbronnen van de windturbinelocatie, die effectief kunnen voorkomen het investeringsrisico van een enkele eenheid, nauwkeurig het inkomen uit stroomopwekking berekenen en de veiligheidskenmerken van de eenheid waarborgen.

Met de snelle ontwikkeling van offshore windenergie is de beoordeling van offshore windbronnen een dringende behoefte geworden in de industrie, terwijl de traditionele offshore windtoren de nadelen heeft van hoge kosten, ingewikkelde goedkeuringsprocedures, lange bouwperiode, enz. Windmeting LiDAR is uitgegroeid tot de eerste keuze voor offshore windmetingen. Anders dan onshore windmeting, lidar in de zeewindmeting moet een bijbehorende fysieke drager hebben, de huidige dragers zijn vast platform en boei twee vormen, waarvan het platform verwijst naar de bestaande vaste drager zoals olieboorplatform, vuurtoren, boost station, enz., de investering in offshore-platformwindmeting is klein, maar platformbronnen kunnen niet worden gezocht, boei als drager (Flidar) is de reguliere vorm van huidige offshore-windmeting geworden. IEAWind TCP TASK32 ontwikkelt Flidar-gerelateerde standaarden en de introductie van gerelateerde standaarden zal het specificatiegebruik van Flidar en de ontwikkeling van gerelateerde technologieën helpen. Als een relatief belangrijke hulpbron van het land, is de veiligheid en betrouwbaarheid van zijn gegevens bijzonder belangrijk, en de lokalisatie van windmetingslidar die door Flidar wordt gedragen, zal een belangrijke ontwikkelingstrend worden.

2) vermogenscurvetest

Volgens de bepalingen van IEC61400-12, de norm voor het verifiëren van de windturbinevermogenscurve, uitgegeven door de International Electrotechnical Commission, moet de meting van de vermogenscurve van de windturbine worden gedaan door de windtoren en moet de afstand tussen de positie en de generatorset 2 tot 4 keer de diameter van de windturbine zijn, en de windmeettoren moet zich in de geselecteerde meetsector bevinden. Na de voltooiing van de constructie van het windmolenpark is het echter moeilijk om op de locatie van de oorspronkelijk gebouwde windtoren te voldoen aan de vereisten van de vermogenscurvetest en zullen er veel beperkingen zijn op de nieuwe windtoren, waaronder terrein, grondverwerving, bouwcyclus, prijs, enz., wat de uitvoering van de vermogenscurvetest bemoeilijkt. In de 2017-revisie van de IEC61400-12-standaard is de windmeetlidar opgenomen in de lijst van apparatuur die kan worden gebruikt voor het testen van de vermogenscurve, vanwege de flexibele inzet van de lidar voor het meten van wind en andere kenmerken van de vermogenscurvetest in een gemakkelijke uitvoering van het project, is DNVGL, Windguard en andere technische autoriteiten voor praktische testtoepassingen.

3) windenergievoorspelling

Om de veilige en stabiele werking van het elektriciteitssysteem te garanderen, het nationale beleid voor hernieuwbare energie te implementeren en het beheer van de verzending en exploitatie van het windenergienet te standaardiseren, moeten alle windparken die op het elektriciteitsnet zijn aangesloten de mogelijkheid hebben om windenergie te voorspellen , en indien nodig windenergieprognoses en -voorspellingen uitvoeren. De traditionele windmeetmethode voor windkrachtvoorspelling is het bouwen van een windmeettoren binnen 5 km van het windpark, onaangetast door het zog van het windpark en in het windpark dominante wind. Vanwege het probleem dat de windtoren in de winter bevriest, is hij vatbaar voor instortingen, zijn er ernstige veiligheidsrisico's en is het gemakkelijk om een netbeoordeling te veroorzaken na een onderbreking van de gegevens. De bouw van windtorens heeft ook complexe grondverwervingsprocedures, een lange bouwperiode, hoge kosten en moeilijk onderhoud. Met grote windmeethoogte, kleine footprint, korte bouwperiode, hoge betrouwbaarheid en geen risico op instorting, heeft lidar geleidelijk zijn voordelen laten zien in vermogensvoorspellingssystemen. Op basis van de kenmerken van kleine en veilige lidar, kan de eigenaar, als de omstandigheden het toelaten, ervoor kiezen om de lidar in het boosterstation in te zetten, of het nu gaat om constructieprocedures of onderhoud, in vergelijking met de windtoren heeft het duidelijke voordelen, vooral het zeestijgstation, het gebruik van lidar in plaats van de windtoren zijn de economische voordelen prominenter.

Op gondel gemonteerde wind LiDAR's toepassingen

Anders dan de hoge mate van overlap tussen de functies van de grondgebonden windmetingslidar en de windtoren, is de gondelwindmetingslidar een nieuwe toepassing in de windenergie-industrie, die de windsnelheid voor de windturbine kan meten blad zonder te worden beïnvloed door de bladturbulentie, en de belangrijkste toepassingen zijn: voorwaartse controle, giercorrectie en vermogenscurvetesten.

1) feedforward-controle

Voorwaartse controle is de belangrijkste toepassing van gondellidar. Op dit moment hebben meer dan 1500 eenheden over de hele wereld de gondelwindlidar aangesloten op het besturingssysteem van de windturbine. En meer dan 90% gondelwindlidars hebben niet minder dan 4 bundels vanwege het feit dat meer bundels rijkere inkomende stroominformatie voor het blad kunnen verkrijgen en vervolgens de windsnelheid van het gehele rotoroppervlak kunnen simuleren.

Feed-forward controle op basis van gondelwind lidar maakt:

(1) de intelligente gier om de stroomopwekking van de unit met meer dan 2% te verhogen.

(2) verminder vermoeidheidsbelasting, verminder fluctuaties in rotorsnelheid en vermogensfluctuaties;

(3) realiseer de uiteindelijke controle van de windvoorwaarde en verminder de grenslading;

(4) realiseer complexe controle van de windvoorwaarde en verminder het bedrijfsrisico van de windturbine;

(5) adaptieve sturing van windcondities, flexibele inzet van sturingsstrategieën volgens windcondities

(6) multi-turbine netwerkbesturing van windparken vermindert de impact van zog op het hele windpark en verhoogt de stroomopwekking van het hele windpark.

Beïnvloed door vele factoren, is de populariteit van gondelwindlidar in de windturbine verre van het bereiken van de verwachtingen. In de afgelopen jaren hebben bijna alle OEM's van windturbines sterke interesse getoond in feed-forward-besturingstechnologie op basis van gondelwindlidar en begonnen met overeenkomstige tests en studies, met de verdieping van het onderzoek en de controle van de kosten van lidar voor windgondels, zal de markt voor lidars voor windgondels sterk worden verbeterd en zelfs de standaardcomponenten van windturbines worden.

2) giercorrectie

Het gebruik van gondelwindlidar kan twee giermodi bereiken, de eerste modus is de eerder genoemde gondelwindlidar in het hoofdbesturingssysteem van de windturbine, om realtime giercontrole te bereiken; de tweede is om de gondelwindlidar in de windturbine te installeren voor een periode van tijd (meestal ongeveer een maand) om de afwijkingsinformatie tussen de turbineoriëntatie en de windrichting te verzamelen, de gondelwindlidar na de meting te demonteren, de afwijking te berekenen van de eenheidsoriëntatie door de gegevens van de gondelwindlidar, en corrigeer de afwijkingswaarde in het windturbinecontrolesysteem, om het doel van giercorrectie te bereiken. Mode 1 moet samenwerken met de regelstrategie van de windturbine om gierdoelen te bereiken, terwijl de gondelradar in mode 2 niet hoeft te worden aangesloten op het hoofdregelsysteem, wat gemakkelijker te implementeren is, dus mode 2 is de eerste keuze geworden voor veel klanten.

3) vermogenscurvetest:

De IEC61400-12-norm stelt voor om de waaierdiameter van 2 tot 4 keer de windsnelheid te gebruiken voor de berekening van de vermogenscurve, en het algemene bereik van de gondelwind-lidar voor feed-forward-regeling is minder dan 200 m, en om de gehele windsnelheid van het rotoroppervlak, de spanningshoek van de boven- en onderbalk is te groot, zelfs als de rotordiameter van 2-4 keer de windsnelheid kan worden gemeten, zullen de synthetische windsnelheid en de echte windsnelheid een grote afwijking hebben. Daarom was een gondelwindlidar nodig die geschikt was voor het testen van de vermogenscurve. De door Movelaser geïntroduceerde Molas NL400 is verbeterd ten opzichte van de originele gondelwindlidar en het meetbereik is opgewaardeerd tot 400 m, waarmee de windsnelheid bij de diameter van de unit gemakkelijk 2 tot 4 keer de rotordiameter kan worden gemeten. De bovenste en onderste spanhoeken werden gewijzigd in 10° om de nauwkeurigheid van de windsnelheid op lange afstanden te garanderen. De huidige norm IEC61400-50-3 over gondelwind-lidar voor het testen van vermogenscurves wordt voorbereid en zal naar verwachting in 2022 worden afgekondigd. Een vermogenscurve-testmethode op basis van gondelwind-lidar, geschreven onder auspiciën van DTU, is openbaar gemaakt .

Aangezien de cabineradar in de unit is geïnstalleerd en gepaard gaat met de rotatie van de turbine, wordt de beschikbare sector niet beïnvloed door de windrichting, in vergelijking met het gebruik van een windtoren of grondradar voor vermogenscurvetests, en de windsnelheidsgegevens van elke windsnelheidssectie kunnen in een kortere tijd worden verzameld. Voor gebieden waar torens of grondradars niet kunnen worden opgericht of geïnstalleerd in bergachtige gebieden en zeeën, liggen de voordelen van het gebruik van gondellidar voor het testen van vermogenscurves meer voor de hand.