IEC61400-50-3“机舱激光雷达在风速测量中的使用” ——启动会议

2017年10月4日~6日，国际电工委员会（IEC）风力发电机组技术委员会TC88下的PT50-3标准修订组的启动会议在丹麦科技大学（DTU）召开，来自9个国家的40多位专家参与了会议。中国方面，金风科技、远景能源、莱维赛尔以及鉴衡认证的专家出席了会议。

PT50-3是“IEC61400-50-3：机舱激光雷达在风速测量中的使用（Use of nacelle mounted lidars for wind measurements）”标准的编写组，由丹麦发起并于今年在IEC成功立项，组长是DTU的Rozenn Wagner。

标准立项的背景大致可以分为2条主线：技术的应用和IEC风电标准重新构建。DTU从2010年开始研究在功率曲线测试中使用2光束机舱激光雷达，并在2013年发布了使用流程的技术指南（Procedure for wind turbine power performance measurement with a two-beam nacelle lidar, 2013）。2015年前后，2光束机舱激光雷达已经逐渐被用于商业测试，同时期在IEC61400-12-1的标准修订中已经包括了地面激光雷达的内容。目前，一些机构正在对多光束机舱激光雷达以及机舱激光雷达在复杂地形中的应用进行研究。因此，一方面出于市场的需求，例如功率曲线验证，功率曲线测试（尤其是海上风电机组的功率测试），另一方面由于研究工作的完善，新标准的立项具备了条件。

根据IEC风力发电机组技术委员会TC88的规划，在未来所有IEC风电标准将进行“重组”，理清标准间的逻辑，以便使用者更加清晰，并降低维护成本（此项工作由PT101工作组进行）。IEC61400-50-3就是针对机舱激光雷达测风的标准。

图1   按照现在的构想， IEC风电测试标准将把风速测试单独划分出来，形成IEC61400-50系列标准，其中-50-1是杯式风速计和超声波风速计的标准，-50-2是地面激光雷达的标准，这2个标准的内容是基于目前的-12-1标准中的相关要求，并要考虑其他测试标准关于风速测试的适用性，例如噪声和载荷测试。

新标准的修订并不是从零开始，组长在启动会前在现阶段工作成果的基础上已经将标准的目录起草完毕，并组织参会专家一同讨论。

图2  会议上围绕着这份标准目录的草稿进行讨论，每个专家都可以提出他们认为重要的东西，达成一致后便开始编写。大家可以自愿认领某个章节进行起草，一同讨论后形成委员会草稿版标准（Committee Draft，简称CD）。CD版经过IEC中央办公室发送到各个成员国征求意见，这些意见会反馈至工作组进行修改。IEC标准修订往往会产生若干个CD版本，最终工作组觉得草稿已经成熟，就会形成委员会投票版本（Committee Draft forVote，简称CDV），发送至各个成员国投票。投票通过后的草稿将形成国际标准终稿（Final DraftInternational Standard，简称FDIS），最后进入发布环节，形成正式标准。

IEC61400-50-3的工作组计划在2018年形成CD版，并在2020年达成FDIS版。在这个标准修订会上，组长会根据大家讨论的倾向，采取分组讨论的方式，并将每个小组的意见整合，然后一起讨论。

图3  这是分组讨论的场景，这个小组的任务是考虑机舱激光雷达“重建”水平风速时（合成算法），标准中应该包括哪些参数的不确定度。如果有想法，组员需要将它们在这张粉色的纸上写下来。

图4  小组讨论完毕之后，大家坐回一起把问题归类，继续讨论。另外一个小组的想法写在黄色的纸上。

在首次会议上，大家重点关心的话题有3个：标定、分级和不确定度。

在IEC61400-12-1，2017版标准中，对地面激光雷达的标定方式是直接对其输出结果进行标定。此时，地面激光雷达像一个黑箱，使用者并不关心其内部的算法，只需要建立最终合成结果与测风塔测量结果之间的关系，因此被称为“黑箱标定”。

机舱激光雷达如果进行“黑箱标定”，首先需要将其架设至一定高度以避开地面对光束的遮挡，并获得较为均匀的气流。此时，无论是塔架还是机组自身的晃动都会对标定结果造成影响，使得测试的可重复性大打折扣，并且不确定度也会随之增加，而且将机舱激光雷达光束的中心线对准测风塔也不容易实现。因此有人提出了“白箱标定”的替代方式，即对激光雷达直接测量量进行标定。这种标定方式的好处是直接对测量量进行标定，因此对环境的敏感性降低，不确定度可以推导，但是缺点是需要对每一个激光束进行标定，因此标定周期相对较长，而且需要知道雷达内部的算法。

关于分级，大家倾向于认为花费大量的时间进行分级带来的收益甚微（测试偏差甚至小于1倍标准不确定度）。经过讨论，大家同意优先起草“白箱标定”的内容，分级倾向采用数值模拟的方式，但需要“黑箱标定”的实验数据作为支撑。在此倾向确立之后，不确定度的考虑集中在从直接测试结果到合成结果的过程之间，即黑箱内部或算法本身的不确定度。

参会专家

PT50-3的组长，DTU的Rozenn Wagner介绍标准修订的一些原则

来自英国ZephIR的John Medley介绍自家的ZephIR DM (Dual-mode)机舱雷达

来自德国斯图加特大学的Oliver Bischoff介绍连续波及脉冲式激光雷达的区别

来自法国LEOSPHERE的Paul Mazoyer展示不同扫描路径的结果

DTU的Antoine Borraccino介绍标定中引入的不确定度

DTU的Mike Courtney展示机舱激光雷达在不同环境条件下的测试结果

部分中国参会专家的会后留影

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