風(fēng)電場(chǎng)對(duì)米波雷達(dá)系統(tǒng)的影響研究

張連迎，王聚杰

（中國(guó)電波傳播研究所，山東青島266107）

風(fēng)電場(chǎng)對(duì)米波雷達(dá)系統(tǒng)的影響研究

張連迎，王聚杰

（中國(guó)電波傳播研究所，山東青島266107）

目的針對(duì)目前風(fēng)電場(chǎng)對(duì)米波雷達(dá)的潛在威脅，研究風(fēng)電場(chǎng)的有源干擾、無源散射、遮蔽對(duì)米波雷達(dá)系統(tǒng)的影響，為評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)對(duì)米波雷達(dá)系統(tǒng)的影響提供技術(shù)指導(dǎo)。方法根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的有源干擾進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，就風(fēng)電場(chǎng)有源干擾對(duì)米波雷達(dá)系統(tǒng)周邊背景噪聲的影響進(jìn)行分析，提出一系列應(yīng)對(duì)有源干擾的措施；利用散射、刃峰繞射、多普勒效應(yīng)等理論，就無源散射、遮蔽等因素對(duì)米波雷達(dá)系統(tǒng)的影響進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。結(jié)果風(fēng)電場(chǎng)將引起米波雷達(dá)系統(tǒng)周邊背景噪聲惡化、虛警率提高、探測(cè)距離縮減、測(cè)向和測(cè)速誤差等，導(dǎo)致米波雷達(dá)性能下降。結(jié)論風(fēng)電場(chǎng)對(duì)米波雷達(dá)系統(tǒng)存在著巨大威脅，在米波雷達(dá)臺(tái)站附近規(guī)劃建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)評(píng)估，保證國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和雷達(dá)系統(tǒng)性能不受影響。

風(fēng)電場(chǎng)；米波雷達(dá)；有源干擾；無源散射；遮蔽

隨著石油、天然氣、煤炭等化石能源的日益枯萎，世界各國(guó)正在大力發(fā)展包括風(fēng)能、水電、核能等綠色、清潔能源。其中，風(fēng)能由于具有可再生、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展十分迅猛。中國(guó)是世界上風(fēng)能較為豐富的國(guó)家，東南沿海和西北內(nèi)陸地區(qū)是國(guó)內(nèi)風(fēng)能資源最為集中的區(qū)域，目前已在上述地區(qū)的能源供給中占據(jù)一席之地。

另一方面，隨著大量風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)，風(fēng)電對(duì)通信、雷達(dá)等電子系統(tǒng)的影響和矛盾也日益突出。據(jù)報(bào)道，由于風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)影響了雷達(dá)對(duì)空中目標(biāo)的偵察，英國(guó)國(guó)防部曾叫停英國(guó)沿海某風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)[1—2]。

鑒于此，文中就風(fēng)電場(chǎng)的有源干擾、無源散射、遮蔽對(duì)米波雷達(dá)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析與研究，這對(duì)于在米波雷達(dá)臺(tái)站附近規(guī)劃建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)評(píng)估具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

1 風(fēng)力發(fā)電原理

風(fēng)力發(fā)電的過程是通過風(fēng)能驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)，由風(fēng)機(jī)內(nèi)的發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，然后由風(fēng)機(jī)底部的變電箱升壓后送入電網(wǎng)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的本質(zhì)是將風(fēng)攜帶的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。通常，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由以下部分組成[3—4]。

1）葉片：由風(fēng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)攜帶的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，葉片的大小可與飛機(jī)機(jī)翼比擬。

2）發(fā)電機(jī)：將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

3）變電箱：由于風(fēng)速不穩(wěn)定，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出電壓不穩(wěn)定，變電箱將電壓調(diào)穩(wěn)，然后并入地方電網(wǎng)[5]。

2 風(fēng)電場(chǎng)對(duì)米波雷達(dá)系統(tǒng)影響的主要因素

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的原理及結(jié)構(gòu)，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)米波雷達(dá)的影響因素主要有以下幾點(diǎn)。

1）風(fēng)電場(chǎng)的有源干擾。風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)、電子控制器等在工作過程中會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，風(fēng)電場(chǎng)配套的變電站、開關(guān)站、高壓線等也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射[6]。上述輻射源產(chǎn)生的電磁輻射將抬高米波雷達(dá)系統(tǒng)場(chǎng)地的無線電噪聲電平。根據(jù)雷達(dá)方程，雷達(dá)的探測(cè)距離與場(chǎng)地背景噪聲電平有關(guān)。當(dāng)背景噪聲抬高后，將導(dǎo)致米波雷達(dá)探測(cè)距離縮減[7]。

2）風(fēng)電場(chǎng)的無源散射。相對(duì)米波頻段的波長(zhǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔柱、葉片等均具有較大的電尺寸，甚至可以與飛機(jī)比擬，可對(duì)照射到風(fēng)機(jī)上的電磁波產(chǎn)生無源散射。無源散射對(duì)米波雷達(dá)的影響主要體現(xiàn)在三方面：一是當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)位于雷達(dá)照射區(qū)內(nèi)時(shí)，風(fēng)機(jī)可產(chǎn)生強(qiáng)烈的回波信號(hào)，可能導(dǎo)致雷達(dá)虛警；二是風(fēng)電場(chǎng)可對(duì)正常的回波信號(hào)產(chǎn)生二次輻射，從而導(dǎo)致多徑傳播，可能導(dǎo)致雷達(dá)測(cè)向誤差[8]；三是風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)的切速度很快（可與飛機(jī)比擬），根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，葉片旋轉(zhuǎn)將對(duì)正常的回波信號(hào)產(chǎn)生多普勒頻移，從而導(dǎo)致雷達(dá)測(cè)速誤差。

3）風(fēng)電場(chǎng)的遮蔽。根據(jù)繞射原理，當(dāng)收發(fā)之間存在障礙物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生繞射傳播現(xiàn)象，繞射傳播會(huì)產(chǎn)生一定的附加衰減[9]。根據(jù)雷達(dá)方程，傳播衰減的增加將導(dǎo)致米波雷達(dá)探測(cè)距離縮減。

3 風(fēng)電場(chǎng)有源干擾的分析

3.1 測(cè)試對(duì)象簡(jiǎn)介

為研究風(fēng)電場(chǎng)有源干擾的特征，對(duì)上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)的有源干擾開展了實(shí)際測(cè)試。該風(fēng)電場(chǎng)由34臺(tái)國(guó)產(chǎn)3 MW風(fēng)電機(jī)組組成，總裝機(jī)容量為102 MW。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)簡(jiǎn)述

對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的電磁輻射進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試頻段為30~300 MHz。同時(shí)選取距風(fēng)機(jī)20 km遠(yuǎn)的農(nóng)田作為測(cè)試參考點(diǎn)，參考點(diǎn)2 km以內(nèi)無人為干擾源，對(duì)參考點(diǎn)30~300 MHz的無線電噪聲進(jìn)行了測(cè)試。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)電磁輻射測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，海上風(fēng)電場(chǎng)在米波段產(chǎn)生了較為明顯的電磁輻射，電磁輻射主要集中在250 MHz以下的頻段，頻率越高，電磁輻射越弱。

3.3 風(fēng)電場(chǎng)有源干擾的應(yīng)對(duì)措施

為有效削弱風(fēng)電場(chǎng)的有源干擾對(duì)米波雷達(dá)的影響，可采取如下措施：風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變電站等采取電磁兼容改造；高壓輸電線做埋地處理；適當(dāng)增加風(fēng)電場(chǎng)與雷達(dá)間的防護(hù)距離。

4 風(fēng)電場(chǎng)無源散射的分析

4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的RCS

從風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)上分析，風(fēng)機(jī)的無源散射主要由風(fēng)機(jī)的塔柱、吊艙、葉片三部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。其中，塔柱、吊艙可視為靜態(tài)目標(biāo)，其RCS易于計(jì)算。葉片則不同，其在發(fā)電過程中一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此應(yīng)對(duì)葉片不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的RCS分別計(jì)算，然后根據(jù)實(shí)際選取需要的RCS。

此外，計(jì)算過程中還應(yīng)對(duì)不同入射波的方位角、俯仰角的RCS分別計(jì)算，以全面掌握風(fēng)電場(chǎng)的無源散射特性[10]。

圖2為計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)RCS的幾何模型，圖3為利用該模型計(jì)算的RCS（計(jì)算頻率為120 MHz，入射波方位角為0°，俯仰角為30°）。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的幾何模型

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的RCS

4.2 葉片的多普勒效應(yīng)

葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，不同的半徑點(diǎn)上具有不同的切向速度。風(fēng)機(jī)葉片頂部具有最大的切向速度，該速度甚至可與飛機(jī)的航速相比，葉片底部則具有最小的切向速度。

根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理，由于葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，將導(dǎo)致回波頻譜的展寬。由于葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，上下兩端相對(duì)電磁波的運(yùn)動(dòng)方向相反。當(dāng)葉片迎著電波方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，將產(chǎn)生正的多普勒頻譜區(qū)；當(dāng)葉片背著電波方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，將產(chǎn)生負(fù)的多普勒頻譜區(qū)[11]。此外，多普勒頻譜圖中在零頻上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，這是由于靜態(tài)的塔柱、吊艙的RCS遠(yuǎn)大于葉片導(dǎo)致的[12]。

5 風(fēng)電場(chǎng)遮蔽的分析

風(fēng)電場(chǎng)對(duì)雷達(dá)的遮蔽主要體現(xiàn)在風(fēng)電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電磁波發(fā)生繞射現(xiàn)象。如果障礙物比較陡峭，而且障礙物的橫向?qū)挾容^大時(shí)，這種繞射稱為刃峰繞射[13]；若障礙物的頂部有比較大的寬度且比較平緩時(shí)，這種繞射被稱為圓頂峰繞射[14]。從繞射的類型分析，風(fēng)電場(chǎng)的繞射可視為刃峰繞射。繞射影響的大小通常用繞射產(chǎn)生的附加衰減評(píng)估。

工程中經(jīng)常用式（1）對(duì)刃峰繞射的附加衰減進(jìn)行估算[15]：

式中：Hc代表路徑余隙；H0代表了自由空間余隙。

根據(jù)式（1）就風(fēng)機(jī)對(duì)不同距離、不同高度目標(biāo)產(chǎn)生的繞射損耗進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)目標(biāo)距離風(fēng)機(jī)較近時(shí)，風(fēng)機(jī)的遮擋比較嚴(yán)重，會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的損耗。當(dāng)目標(biāo)離風(fēng)機(jī)的距離比較遠(yuǎn)時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由信號(hào)的頂部繞射、兩側(cè)繞射等產(chǎn)生的多徑現(xiàn)象所導(dǎo)致。

風(fēng)機(jī)對(duì)信號(hào)的衰減會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)回波信號(hào)削弱，導(dǎo)致米波雷達(dá)漏警率升高。風(fēng)機(jī)可能導(dǎo)致的信號(hào)增強(qiáng)本質(zhì)上是一種多徑現(xiàn)象，多徑可能導(dǎo)致米波雷達(dá)的測(cè)距、測(cè)向、測(cè)速的嚴(yán)重誤差?？傊L(fēng)機(jī)對(duì)米波雷達(dá)探測(cè)效能的影響不可低估。

6 結(jié)語

風(fēng)電場(chǎng)對(duì)米波雷達(dá)系統(tǒng)的性能指標(biāo)有著嚴(yán)重影響，在米波雷達(dá)臺(tái)站附近建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)將對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生巨大威脅。因此在規(guī)劃、建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)前，應(yīng)對(duì)場(chǎng)址周邊包括米波雷達(dá)在內(nèi)的電子裝備進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)評(píng)估，在確保風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)不會(huì)影響裝備性能的基礎(chǔ)上，支持國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和綠色能源開發(fā)利用。

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Influences of Wind Farm on VHF Radar System

ZHANG Lian-ying,WANG Ju-jie
(China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

Objective To study influences of wind farm on VHF radar system,including electromagnetic interference, scattering and shading based on potential threads of wind farm on VHF radar system to provide technical guidelines for evaluating influences of wind farm on HVF radar system.Methods Electromagnetic interference of the wind farm ware tested according to the working principle and the structure of wind power generator.Influences of the wind farm on background noise surrounding the VHF radar system were analyzed to propose solutions of electromagnetic interference; theories of scattering,knife-edge diffraction,Doppler effect,etc,were used to have simulating calculation and analysis on influences of passive scattering,shading,etc.on the VHF system.Results The wind farm will cause decline of radar’s technical index,including worsening of radio noise,increasing of false alarm rate and reducing of detecting distance. Conclusion The wind farm has great threat to the radar system.To protect economic construction and VHF radar system’s performance,rigorous evaluation of wind farm’s influence is necessary before programming and building.

wind farm;VHF radar;electromagnetic interference;scattering;shading

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.008

TJ07；TN011

A

1672-9242(2017)07-0041-04

2017-03-15；

2017-05-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61331012）

張連迎（1983—），男，山東人，工程師，主要從事雷達(dá)、無線電波傳播等方面的研究。