IEA风能技术合作研究论坛——金风科技刘磊： 激光雷达智能控制系统可以减少机组故障和大部件损坏

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》的主旨演讲。他表示，金风科技是IEA WIND Task32在国内的牵头单位，在缺乏雷达机组认证规范前提下，金风科技积极参与行业标准认定与推广，为风电行业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介绍金风科技在激光雷达控制技术的应用。首先非常感谢中国风能协会能够组织中国的风电行业去参加IEA Task，这是针对现在风电行业非常热点和非常关键的问题，也是亟需攻坚的问题。
　　我先介绍一下Task的背景，叫做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，之后几年IEA Task每年会组织几次各个方向的会议。
　　金风科技是IEA WIND Task32在国内的牵头单位，Task32主要的目的是联合一些科研机构以及企业，寻找激光雷达技术在风能领域一些应用的方向，并且发现它一些亟待解决的问题和方案，主要聚焦于四个大的方向：第一，是场址的评估，这是海上项目进行风能评估，传统在海上花费比较大的，这是利用激光雷达进行场址评估的。第二，也是今天主要介绍的用激光雷达技术用于载荷和控制。第三，之前对复杂流场是怎么计算的。第四，是激光雷达用于复杂流场，整个流场的尾流，激光扫描的结果。
　　在Task32中，每年都会定期举办针对热点问题的会议，自2016年开始，基本的频次每年有3到4次会议。今天我主要介绍跟控制相关的会议，第一次会议在2016年，这次会议主要解决需要什么样的雷达设备去用到风机的控制上，这是这次会议讨论、解决和攻坚的主要问题。
　　第二次和控制相关的会议是2018年初举行的，我们知道雷达用到控制上有很多的好处，可以降低LCOE、减少机组的载荷，提高机组的稳定性，但是怎么落实？怎么通过认证去证实、证明，尽快推向市场等，是这次会议主要讨论的议题。
　　最近的一次会议是近期举办的基于雷达控制和系统工程学，怎么去做系统的设计，来使我们的风机成本更低，发电量更优等的问题。
　　传统的控制存在一个痛点和盲区，无法预知风的情况，风作用到机组上会产生滞后的效应，这是传统控制的痛点。传统风机的控制器如果要解决这些问题就要在载荷发电量方面做一些权衡，在极端情况下怎么响应，这个也要牺牲一些发电量等等。激光雷达智能控制系统主要解决的就是这个问题，就像在一个漆黑夜晚我们打开车灯，可以看到前方的路况，用了激光雷达探测技术就可以探测到前方的风流信息，能够控制我们风机实时去响应，随风应对，更加从容。
　　它的价值主要体现在几个方面，首先是应用激光雷达智能控制技术之后，可以降低我们机组的载荷，基本上塔架叶片关键部位的载荷有8%到10%的降低，发电量能提升，年发电量在2%的水平，同时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，减少机组的变角动作，同时变桨天气，可以提前探测到，减少机组故障和大部件损坏。
　　在实现控制之前，首先要知道风是什么样的，这就涉及到风域的重构，雷达是在风的方向上，怎么样把风速重构出右侧复杂的流场，这就需要设计一系列的算法，根据流场的机理，重构出需要的风场的信息，一系列的风况信息，这些信息被重构出来以后，会作为后续的一系列控制的输入。
　　有了风的信息以后，我们会设置一系列的智能控制的算法，现在有这样一系列成熟应用，我们正在做的，预期将来会产生很大价值的，包括湍流控制，以及雷达的独立变桨控制，风况自适应控制等等。
　　我简单从各个方向介绍一下原理和价值，首先说前馈控制，提前计算风的情况，在最恰当的时机去相应，来匹配风速的变化，这样达到的目标，可以降低载荷，提升我机组的稳定性，扩展机组的适应能力。
　　其次，智能偏航，使机组最大程度处于风能最大的位置，这套技术是通过模型预测，提前探测到风向变化实现的，可以消除对风的偏差，消除偏差的同时，把对风偏差的分布收窄，这就使我们机组更准确的对风，并且更长时间对准风，提升机组的发电量。
　　第三，控制算法，是我们的尾流控制，尾流控制我们可以想象成在交通拥堵的时候需要疏导车流，同样在风电场通过计算方法来疏导我们的尾流，尾流一般会带来两个方面的不利的影响，一个是它会使下游机组发电量降低，另外它会引起额外的扰动，使下游机组的载荷增加。
　　第四，是极限风况的控制，正如我之前刚才说的，雷达可以提前探测到一些极端的风况，对于提前识别到的恶劣风况，我们会进行算法，让机组提前适应恶劣的风况，提升机组的稳定性和适应性。
　　第五，是湍流控制，通过对入流风况湍流的识别，可以实现两个不同的控制目标，低湍流下可以设计增功的策略，强流下可以设计降载的识别，这样可以使机组更多的发电。
　　最后是展望的方向，前面介绍了一些智能控制的功能和价值，在每一项功能被推广应用之前，首先要依据一些规范和认证的工作，金风科技在这一块也是积极参与了Task32的一些讨论，同时，我们与认证机构共同进行了一个激光雷达智能控制的技术认证，这个技术认证的过程进行得其实很长，然后讨论的问题很深入，也很多，那么它主要是在没有一个行业规范，还缺少对于雷达的一个认证，以及对于雷达机组认证规范前提下，我们与认证机构一起补充完善认证的一些流程，这个工作是非常有价值的，也为今后形成行业规范形成一个储备。以后金风科技仍然会积极地参与到这项技术的推广，以及它的规范制订当中，为风电行行业贡献出自己的一份力量。