聲雷達(dá)在低層大氣風(fēng)能資源評(píng)估中的應(yīng)用

文 | 楊靖文，尚朋真，張佳麗，楊楠，鄭楊艷

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，大容量、大葉輪和高塔筒已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)。然而隨著風(fēng)電機(jī)組塔筒的不斷提高，相應(yīng)的風(fēng)能資源評(píng)估對(duì)于高層風(fēng)能資源的測(cè)量工作提出了更高的要求。傳統(tǒng)測(cè)風(fēng)工具——測(cè)風(fēng)塔由于自身高度的局限性，逐漸難以滿足日益提高的測(cè)風(fēng)需求。

與傳統(tǒng)測(cè)風(fēng)塔相比，多普勒測(cè)風(fēng)聲雷達(dá)具有更大的觀測(cè)量程，能夠測(cè)得200米高度處的風(fēng)速、風(fēng)向和湍流強(qiáng)度等風(fēng)況數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于聲雷達(dá)具有不受空氣質(zhì)量影響、精度高、安裝方便、可重復(fù)利用等優(yōu)勢(shì)，可配合測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行測(cè)風(fēng)工作。這對(duì)快速判別場(chǎng)址資源條件、降低測(cè)風(fēng)成本、及時(shí)安排調(diào)整開發(fā)計(jì)劃具有十分重要的意義。

本文以山東某風(fēng)電項(xiàng)目為例，對(duì)多普勒AQ510聲雷達(dá)和附近測(cè)風(fēng)塔的同期數(shù)據(jù)及風(fēng)切變指數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上根據(jù)聲雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)切變指數(shù)和測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速數(shù)據(jù)，使用三種方法推算出測(cè)風(fēng)塔以上高度的風(fēng)速，并進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比，由此闡述了多普勒聲雷達(dá)在低層大氣風(fēng)能資源評(píng)估中的應(yīng)用。

項(xiàng)目概況

本文分析項(xiàng)目位于山東平原地區(qū)，場(chǎng)內(nèi)于2017年1月設(shè)立一座100米測(cè)風(fēng)塔，為評(píng)估100米以上高層風(fēng)能資源情況，于2017年5月至8月在場(chǎng)內(nèi)增設(shè)一座測(cè)風(fēng)聲雷達(dá)，對(duì)同期數(shù)據(jù)進(jìn)行初步評(píng)估。測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)收集滿一年。

一、 測(cè)風(fēng)設(shè)備介紹

測(cè)風(fēng)塔設(shè)備采用美國(guó)NRG公司的傳感器及記錄儀，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，有詳細(xì)的標(biāo)定報(bào)告。風(fēng)速儀型號(hào)NRG#40，風(fēng)向標(biāo)型號(hào)NRG#200P，在8m處安裝#BP20氣壓傳感器和#110S溫度傳感器。其中風(fēng)速觀測(cè)采樣時(shí)間間隔為1s，并自動(dòng)計(jì)算和記錄每10min的平均風(fēng)速和每10min的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差值；風(fēng)向觀測(cè)采樣時(shí)間間隔為2s，并自動(dòng)計(jì)算和記錄每10min的風(fēng)向值、標(biāo)準(zhǔn)偏差。

測(cè)風(fēng)聲雷達(dá)為瑞典AQ510（圖1），是風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用改進(jìn)技術(shù)。它以多普勒頻移的信號(hào)反射系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并采用了最先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以精確測(cè)量40米至200米區(qū)間范圍內(nèi)33個(gè)不同觀測(cè)高度上的風(fēng)速、風(fēng)向和湍流強(qiáng)度等氣象要素。

二、項(xiàng)目測(cè)風(fēng)情況

圖1 AQ510聲雷達(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)示意圖

圖2 測(cè)風(fēng)塔和聲雷達(dá)位置信息圖

場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔及雷達(dá)的相關(guān)信息如表1、圖2所示，測(cè)風(fēng)塔位于聲雷達(dá)西北偏西方向，水平距離為416米左右。測(cè)風(fēng)塔最大觀測(cè)高度為100m，而聲雷達(dá)最大觀測(cè)高度為200m，因此聲雷達(dá)可測(cè)得100m以上高層風(fēng)切變情況，有效彌補(bǔ)測(cè)風(fēng)塔在高層風(fēng)能資源觀測(cè)上的不足。

數(shù)據(jù)對(duì)比及分析

聲雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔具有3個(gè)月的同期時(shí)段數(shù)據(jù)，首先將兩者的同期數(shù)據(jù)在有效數(shù)據(jù)完整率、相關(guān)性、平均風(fēng)速、風(fēng)切變等方面進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證兩個(gè)設(shè)備所測(cè)數(shù)據(jù)是否具有一致性，為后續(xù)的高層風(fēng)速推算提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

一、有效數(shù)據(jù)完整率對(duì)比

由于電磁波或聲波在遠(yuǎn)距離傳輸過程中的能量耗散效應(yīng)，雷達(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)在較長(zhǎng)的觀測(cè)周期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不同程度的數(shù)據(jù)缺失情況，并且通常情況下，隨著觀測(cè)高度的升高，數(shù)據(jù)完整率會(huì)逐漸降低。因此，在進(jìn)行更加深入的數(shù)據(jù)分析之前，對(duì)各觀測(cè)高度的數(shù)據(jù)完整率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)是十分必要的，因?yàn)樗鼪Q定了整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)可用數(shù)據(jù)的多少。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，AQ510聲雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔在80m和100m高度層的有效數(shù)據(jù)完整率都很高，接近100%，詳細(xì)數(shù)據(jù)可見表2。

AQ510聲雷達(dá)可觀測(cè)由40m高度起，每5米一層間隔一共33層的垂直風(fēng)速變化。理論上來講，測(cè)風(fēng)雷達(dá)的有效數(shù)據(jù)完整率都會(huì)隨高度增加而下降。此處對(duì)AQ510聲雷達(dá)主要觀測(cè)高度的有效數(shù)據(jù)完整率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明這些觀測(cè)高度有效數(shù)據(jù)完整率均在90%以上，100m以下觀測(cè)高度有效數(shù)據(jù)完整率均在97%以上，詳細(xì)可見表3。

由此可見，聲雷達(dá)在這些觀測(cè)高度上有效數(shù)據(jù)完整率都很高，能夠?yàn)楹罄m(xù)進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估提供足量的數(shù)據(jù)。

二、 相關(guān)性分析及風(fēng)速對(duì)比

由于測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)一般可達(dá)一年，可認(rèn)為是長(zhǎng)期參考數(shù)據(jù)，而雷達(dá)只有三個(gè)月，可認(rèn)為是短期數(shù)據(jù)，所以可依據(jù)兩者相關(guān)性，將短期數(shù)據(jù)插補(bǔ)訂正為長(zhǎng)期數(shù)據(jù)。兩套數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)R）是其中的關(guān)鍵指標(biāo)。AQ510聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔相距416米，距離較近，有利于兩者進(jìn)行風(fēng)速相關(guān)性對(duì)比。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，聲雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔的相關(guān)性較好，80米及100米的相關(guān)性系數(shù)R值均在0.94以上，可以用于后續(xù)輔助分析。

表1 項(xiàng)目測(cè)風(fēng)情況基本信息表

表2 聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)完整率對(duì)比

表3 AQ510聲雷達(dá)不同高度層數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)

表4 AQ510與NRG測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)相關(guān)性

此處對(duì)AQ510聲雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔上NRG風(fēng)速計(jì)所測(cè)得的平均風(fēng)速進(jìn)行了對(duì)比。為保證數(shù)據(jù)的可比性，在計(jì)算風(fēng)速時(shí)只保留了兩個(gè)設(shè)備在同一高度層同時(shí)都有數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以保證絕對(duì)的嚴(yán)格同期。從表5中可以看到兩個(gè)設(shè)備的平均風(fēng)速差值均在0.1m/s以下，數(shù)據(jù)非常接近。需要注意的是，由于這兩種設(shè)備中并未存在高精度機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀，故無法判別何種數(shù)據(jù)來源為理論正確值。

三、 風(fēng)切變分析

由于聲雷達(dá)可觀測(cè)40～200m高度范圍內(nèi)共計(jì)33層的風(fēng)況數(shù)據(jù)，故本項(xiàng)目引入聲雷達(dá)作為輔助觀測(cè)工具，計(jì)算測(cè)風(fēng)塔塔體高度以上的風(fēng)能資源水平。因此，風(fēng)切變分析以及更高層的風(fēng)況推算即為本項(xiàng)目的重點(diǎn)內(nèi)容。由于目前行業(yè)內(nèi)主流的高塔筒高度為120米，故本文在高層風(fēng)況計(jì)算時(shí)主要考慮110米及120米高度。

圖3 AQ510聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔風(fēng)廓線對(duì)比

表5 AQ510與測(cè)風(fēng)塔平均風(fēng)速對(duì)比

表6 AQ510聲雷達(dá)風(fēng)切變統(tǒng)計(jì)表（2017年5月30日—2017年8月30日）

表7 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變統(tǒng)計(jì)表（2017年5月30日—2017年8月30日）

目前對(duì)于風(fēng)切變，主要采用指數(shù)律和對(duì)數(shù)律兩種方法進(jìn)行氣象學(xué)意義上的討論。對(duì)數(shù)風(fēng)廓線公式可由普朗特（Prandtl）提出的半經(jīng)驗(yàn)半理論的混合長(zhǎng)理論和Monin-Obukhov相似理論推導(dǎo)得出，平均風(fēng)速u可表示為地面以上高度z的函數(shù)：

式中，u*為地表應(yīng)力，亦稱“摩擦速度”；κ為馮卡門常數(shù)，一般取0.4；z0為粗糙度長(zhǎng)度，即通常所說的平均風(fēng)速為零時(shí)距離地面的高度，其隨下墊面性質(zhì)不同而不同。

指數(shù)律的常見公式為：

式中，α即風(fēng)切變系數(shù)或粗糙度系數(shù)，與層結(jié)、下墊面粗糙度及風(fēng)速大小有關(guān)，是風(fēng)能評(píng)估中最常用的公式。有研究表明，無論何種風(fēng)速大小、層結(jié)狀態(tài)，采用指數(shù)公式（2）計(jì)算不同高度的風(fēng)速都比對(duì)數(shù)公式（1）更接近實(shí)測(cè)值。觀測(cè)表明近地層風(fēng)速廓線與熱力層結(jié)有關(guān)，當(dāng)大氣為靜力非中性層結(jié)時(shí)，風(fēng)速廓線偏離對(duì)數(shù)廓線。另外，指數(shù)律誤差明顯小于對(duì)數(shù)律，對(duì)數(shù)律僅適用于30m以下的近中性層結(jié)。因此本文分析風(fēng)切變時(shí)使用指數(shù)律進(jìn)行計(jì)算。

在計(jì)算風(fēng)切變前首先對(duì)原始風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格同期處理，只保留兩個(gè)設(shè)備在風(fēng)切變計(jì)算時(shí)所涉及高度層同時(shí)都有數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔同期數(shù)據(jù)的風(fēng)廓線對(duì)比如圖3所示，可以看出，在測(cè)風(fēng)塔高度范圍內(nèi)，聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)非常接近，均與指數(shù)律公式（2）擬合得到的曲線十分吻合；然而在接近200米高度處，聲雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與指數(shù)律曲線有分離的趨勢(shì)。

由于本項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注市面上主流的120米高塔筒型機(jī)組，并且聲雷達(dá)觀測(cè)層數(shù)較多，共計(jì)33層，因此下文單獨(dú)選取了120米高度以下，以及聲雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔共同具有的觀測(cè)高度測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算，并且使用不同的外推方法進(jìn)行110米和120米風(fēng)速計(jì)算。

風(fēng)切變統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見表6和表7。從表中數(shù)據(jù)可以得知，觀測(cè)時(shí)段內(nèi)兩個(gè)設(shè)備的風(fēng)切變指數(shù)較為一致，且由于加入了聲雷達(dá)的觀測(cè)，有效得出了測(cè)風(fēng)塔高度以上高層的風(fēng)切變指數(shù)，可用于后續(xù)將測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)推算至更高高度。

高層風(fēng)速推算

經(jīng)過后續(xù)搜集，測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)可得到2017年1月11日至2018年1月10日1個(gè)完整年的數(shù)據(jù)。另外基于前述分析和比對(duì)，在確保AQ510聲雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)相關(guān)性較好的前提下，可參考聲雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)風(fēng)塔高層風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行推算以及驗(yàn)證，主要包括以下兩部分：（1）根據(jù)聲雷達(dá)高層數(shù)據(jù)將測(cè)風(fēng)塔80m三個(gè)月的平均風(fēng)速推算至90m及100m年平均風(fēng)速，并與測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)年平均風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；（2）根據(jù)聲雷達(dá)高層數(shù)據(jù)將測(cè)風(fēng)塔100m三個(gè)月的平均風(fēng)速推算得到110m和120m年平均風(fēng)速，進(jìn)行高層風(fēng)速外推以及風(fēng)資源評(píng)估。

并且，以上兩個(gè)部分均可采用三種不同方法進(jìn)行推算，主要思路依次為：方法一：使用聲雷達(dá)100～110m和100～120m的風(fēng)切變指數(shù)，將測(cè)風(fēng)塔100m年平均風(fēng)速直接外推到110m和120m；方法二：用聲雷達(dá)100～110m和100～120m的風(fēng)切變指數(shù)，將測(cè)風(fēng)塔100m風(fēng)速各樣本數(shù)據(jù)依次分別外推到110m和120m，再求平均得到各高度年平均風(fēng)速；方法三：利用聲雷達(dá)110m和120m與測(cè)風(fēng)塔100m三個(gè)月期間的同期風(fēng)速數(shù)據(jù)的相關(guān)性，采用一元線性回歸函數(shù)對(duì)測(cè)風(fēng)塔高層年平均風(fēng)速進(jìn)行推算。

表8中展示了根據(jù)以上三種方法，分別對(duì)90m和100m高度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證以及對(duì)110m和120m高度進(jìn)行外推計(jì)算的結(jié)果。由表中結(jié)果可以看出：

表8 測(cè)風(fēng)塔高層風(fēng)速推算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

（1） 無論使用哪一種方法，使用三個(gè)月的風(fēng)速數(shù)據(jù)推算至一年得到的年平均風(fēng)速均與實(shí)測(cè)平均風(fēng)速存在一定的偏差，本項(xiàng)目分析的兩個(gè)高度層偏差范圍為0.02%～1.9%。

（2）三種方法得到的外推結(jié)果非常接近。對(duì)本項(xiàng)目而言，通過驗(yàn)證偏差對(duì)比可以看出，方法一和方法二存在高估，方法三則較為保守，且整體偏差低于前兩種方法。

（3）意向輪轂高度120m處年平均風(fēng)速經(jīng)上述方法判斷約為5.13～5.15m/s，考慮方法三0.02%～1.17%的偏差范圍，則風(fēng)速的誤差范圍約為0.001～0.060m/s。說明采用聲雷達(dá)對(duì)高層切變進(jìn)行分析進(jìn)而評(píng)估風(fēng)資源的方法可以有效控制誤差范圍。

結(jié)論

本文以山東某風(fēng)電項(xiàng)目為例，對(duì)項(xiàng)目規(guī)劃區(qū)域內(nèi)聲雷達(dá)和測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析和風(fēng)切變測(cè)算，并使用三種方法對(duì)高層風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)證及推算，得到的主要結(jié)論如下：

（1）聲雷達(dá)AQ510在三個(gè)月內(nèi)100m高度有效數(shù)據(jù)完整率為97.39%，150m處仍可達(dá)到91.79%，數(shù)據(jù)完整率很高；與測(cè)風(fēng)塔相比，100m高度平均風(fēng)速偏差為0.021m/s，相關(guān)系數(shù)為0.962，可為后續(xù)數(shù)據(jù)插補(bǔ)提供可靠的理論依據(jù)。

（2） 聲雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)得到的風(fēng)廓線十分吻合，但聲雷達(dá)可以提供更高的觀測(cè)量程，達(dá)到距地面200m，并且提供更精細(xì)的高度分布，達(dá)到每5m一個(gè)觀測(cè)高度，因此在測(cè)風(fēng)塔塔體高度以上的高空，可提供更詳細(xì)的風(fēng)況信息。

（3）本文采用三種方法推算得到的90m和100m年平均風(fēng)速偏差范圍均為0.02%～1.9%。三種方法得到的外推結(jié)果非常接近。論證了聲雷達(dá)用于高層風(fēng)資源評(píng)估的可行性。

攝影：張偉