【摘 要】 伴随着风机装机容量的快速增加，风电后服务后市场逐渐形成且规模日益壮大。服役10年以上的老旧机组性能逐年下降，导致部分风电场等效发电小时数，远远低于可研报告中理论等效发电小时数，采用先进智能传感器技术，让风机具备超感知能力，为机组二次开发安全提效提供了技术支撑和保障。
本文基于整机制造商华锐风电核心研发团队多部门的通力合作，由锐电科技有限公司主导在业内首次系统性的对服役10年以上的SL1500机组进行二次开发，从机组安全载荷控制、风资源复核、机械结构复核、电气容量复核、智能传感器应用、主控程序定制化，依托机组主体结构、整机设计寿命的年限、经济性收益的平衡关系，进行科学评估、先进技术应用、局部部件改造，将SL1500机组二次开发打造成SL1600-90机组，使老旧机组可以实现质的超越。其中智能传感器技术包含：毫米雷达机舱测风传感器应用于测量前方300米处的风况、激光雷达测距仪应用于测量叶片净空和叶片形变、高精度倾角传感器应用于测量机舱和塔筒位移和基础沉降，让风机睁开眼睛具备超前感知风况和保障机组安全的能力。
【关键词】 风机 二次开发 先进传感器
伴随着风电技术的不断发展，全球的风电装机容量近年显著提高[1]。国内风电行业发展初期，由于设计经验不足且偏于保守、机型选择空间小、风电场可研和微观选址及载荷评估较为粗糙等多方面原因，导致机组选型存在偏差，造成部件安全余度的极大浪费。服役10年以上的老旧风场存在风速评估偏高，实际发电性能偏低现象。机组叶片、发电机、变流器、变桨系统、硬件控制平台等关键部件性能逐年下降，使风电场发电性能达不到预期目标，同时，国内各发电企业（集团）广泛开展风电机组提质增效的技改工作，特别是针对早期的存量低效机组的提质增效工作更是作为加强生产运行管理工作的重点；此外，伴随上网电价逐渐下降的趋势，用于弥补由于电价降低带来的成本压力，也激发了老旧机组的提质增效需求。掌握风电机组性能情况，并针对性的进行优化，经济意义十分重大[2-4]。
服役10年以上的老旧机组提质增效符合风电技术的发展趋势，机组的叶片、发电机、齿轮箱、变流器等关键部件性能正在逐年下降，部分地区机组部件性能无法满足现场实际风况。系统性的对老旧机组进行二次开发是目前风电行业急需解决的技术难题，智能传感器如：毫米波雷达机舱测风传感器应用于测量前方300米处的风况、激光雷达测距仪应用于测量叶片净空和叶片形变、高精度倾角传感器应用于测量机舱和塔筒位移和基础沉降，让风机睁开眼睛具备超前感知风况和保障机组安全的能力。
1智能传感器应用目前，风力发电机前方流体域气流矢量探测主要采用安装在机舱顶端的机舱式激光雷达和安装在机舱后端的风向标和测风仪。随着科技的研究和发展，毫米波测风雷达装备具有操作简单、更加集成化小型化、全天候全天时工作、低功耗、反应迅速实时性高、任务用途广泛的优势，可先期进入风机实时测风场景，提高风机的发电效率。
毫米波雷达技术，创新性的将毫米波雷达改进应用于微弱信号探测领域，突破传统激光探测技术成本高、雨雾霾天气下无法探测的缺陷，传统声波风廓线雷达垂直风场探测高度有限、探测精度不高的缺陷，开发新的针对实际风场的智能算法，实现了探测近场风速信息的雷达装备。
图1：毫米波雷达机舱测风仪参数
毫米波雷达机舱测风仪主要特点：
该产品基于脉冲多普勒雷达架构，可实现对目标空域完成精确的风场的风速及三维风场方向测量。该产品具有探测精度高、实时性高的特点，其在风机辅助控制系统的后装市场里具有很高的产品竞争力，其总体性能高于当前激光雷达传感设备，工作时间长1.5倍，实现全天候工作，具有激光雷达不可比拟的优势。此外，该系列产品还可用于其他高精度测量场景，如风电场的风切变检测、环境空气质量检测（雾霾等）等方面。
图2：实际外场测试结果图
表1：机舱式毫米波测风雷达传感装备参数
本文采用的毫米波雷达传感装备在探测距离上与激光雷达传感装备探测距离相同，而在对风场探测的速度与距离精度上高于目前的激光雷达传感器。同时，该装备在工作条件上弥补了激光雷达传感器工作环境受限的缺点，从而支持更复杂、恶劣的工作环境。另外，在成本、功耗以及体积上，毫米波雷达装备更具市场优势。
激光测距传感器应用，对风机叶片进行3D成像，并对在运行中的机组叶片进行姿态识别，实现叶片形态实时监控，净空值计算，实现过程如下图。
图3：激光测距技术实现过程
通过安装在发电机支架底部的激光测距传感器，对风电机组叶片进行毫秒级扫描，每10毫秒返回24万坐标、反射强度等数据，经过边缘计算终端对数据进行清洗和运算分析，对特征区域特征提取及定量计算。将特征区域原始图像灰度化处理，对形变区域灰度值进行增强，达到增强形变区域的目的，使得叶片状态特征更加容易进行标记。依据叶片特征点的标记及实时数据的计算，实现叶片外形监测、叶片结构失效预警，净空值计算，负风剪切的监测，保护机组的安全。
现场实测数据如下：
图4：现场实测图和安装示意图
图4为激光雷达传感器一帧图像下，探测到叶片、塔筒、大地三者直接的相对激光雷达安装位置的相对距离，通过内置核心控制算法的计算，可以计算处激光雷达视角范围内叶片距离塔筒、激光雷达安装位置的横向距离，以及叶片的形变量，根据不同风况、不同转速下，并结合机组实际运行的姿态可以得到叶片受力不平衡情况和风载的变化情况。从而为机组的智能降载控制，提供有效的判据。
表2：叶片截面相对传感器横向距离
表2为激光雷达传感器一帧图像下，探测到叶片截面距离叶根部轴心的垂直距离，按照每1米一个间隔，可以有效探测到叶片截面距离叶根部轴心的垂直距离的最小距离6米处，相对到激光雷达传感器横向距离为6.02米，叶片截面距离叶根部轴心的垂直距离的最远距离38米处，相对到激光雷达传感器横向距离为8.97米，叶片识别的有效长度约35米。结合机组实际模型参数如叶片倾角、塔筒截面半径、机舱仰角等信息，可以准确得到叶尖部分的准确距离。
激光雷达传感器可以实时探测叶片各截面的相对塔筒的净空距离和叶片的形变量，而市面上的毫米波净空设备仅仅可以探测几个光源处静态安装标定的净空预警值，机组旋转过程叶片承受不同风况的风载，机组相对处于复杂多变的状态，毫米波净空设备相比激光雷达误差相对较大，并且无法有效探测叶片的形变量，难以参于智能降载控制过程中。
风电多位于地势条件复杂的地区，加上严酷的外界自然环境作用，风机塔筒易发生位移，倾斜，风机基础易发生开裂，不规则沉降等现象，尤其是在沙漠、滩涂等松软土质地区。一些极端的自然现象（如雨雪、台风等）以及煤矿开采、工程施工、人为破坏、工程质量不合格，塔筒疲劳损伤等原因造成塔体倾斜、形变和基础不规则沉降的情况时有发生。
塔筒监测主要依赖于第三方不固定时间的监测，及机组单一的震动传感器进行保护。基础沉降长期依赖于每年定期沉降观测。常用这两种方式不能实时进行塔筒形变及基础不规则沉降监测，对于机组基础和塔筒出现紧急情况不能够及时停机处理，很容易造成不可挽回的损失。
图5：倾角传感器参数表
锐电科技采用高精度倾角传感器，分别在机舱主机架上和塔基基础环上安装两个传感器，实时采集机舱和塔基基础环X、Y方向上的倾角变化。
图6：倾角传感器机舱和塔基基础环安装图
图6为倾角传感器机舱和塔基基础环安装实物图，将机舱主机架、塔筒基础环的倾角变化，将传感器数据传给机组主控，并参于机组的安全保护控制过程中，实时保障机组安全及测量塔筒的沉降情况。
图7：塔基基础环架数据
图7为倾角传感器实时探测塔基基础环架的数据，并可以得到机组在采样周期内，塔筒基础环X、Y方向上的角度变化，在现场进行若干测试如：不同风速下进行起机、并网、手动偏航、拍急停紧急顺桨等操作，依据模型设定安全阈值，保障安全。
图8为倾角传感器实时探测机舱主机架的数据，并可以得到机组在采样周期内，塔筒基础环X、Y方向上的角度变化，在现场进行若干测试如：不同风速下进行起机、并网、手动偏航、拍急停紧急顺桨等操作，依据模型设定安全阈值，保障安全。
采用高精度传感器收集准确的机舱主机架及基础环的毫秒级数据，应用锐电科技自主开发的智能算法，能够精准监测塔筒和风机基础的实时状态，对基础环位移警告并通过后期的数据的积累能进行塔筒倾斜、形变和基础不规则沉降的预警。预防由于塔筒倾斜或基础不规则沉降造成倒塔，避免造成重大的经济损失和不良的社会影响。
图8：机舱主机架数据
采用先进的智能传感器让风机睁开眼睛，并具备超前感知风况，参与智能降载和保障机组安全控制过程中。毫米波雷达传感装备在风机机舱测风应用、激光雷达传感器净空和叶片形变的测量应用、倾角传感器机舱和塔基基础环的应用，并结合原机组风速风向仪进行冗余控制过程，机组感知不同风况并引入前馈控制，一方面提高机组的发电性能，另一方面特定风况下进行智能降载缓解机组部件的疲劳，延长机组的寿命。
参考文献：
[1] 韦威.清洁发展机制促进新能源的发展[J].电力与能源，2011，1(1):7-9.
[2]孙元章，吴俊，李国杰．风力发电对电力系统的影响[J].电网技术，2007，31(20):55-62.
[3]石一辉，鲁宗化巧勇等．变速风力机稳定性研究［Ｊ］．电网技术，2011，35（5）：152-158.
[4]徐大平，肖运启，目跃刚．基于模糊逻辑的双馈型风电机组最优功率控[J]．太阳能学报，2008，29（6）：644-651.
作者：锐电科技有限公司 陈兆圣 辛理夫 刘志
北京瓦特曼智能科技有限公司 陈仁 宋福哲
来源：《风能产业》2022.01
往期精彩回顾
