雷達技術(shù)在山地風(fēng)電場資源評估中的應(yīng)用

張洪亮，陸義海，王艷陽

(新天綠色能源股份有限公司，石家莊 050001)

0 前 言

風(fēng)能資源測量是風(fēng)電場前期建設(shè)中必不可少的環(huán)節(jié)，需要對擬開發(fā)區(qū)域內(nèi)風(fēng)的自然屬性與流動特征進行科學(xué)地測量與評估，其評估結(jié)果直接影響著整個風(fēng)電場發(fā)電量的評測精準(zhǔn)度，對論證項目的經(jīng)濟性具有重要意義[1-4]。中國南方山區(qū)，地形起伏不規(guī)則、地面粗糙度差異大，復(fù)雜的地形極易產(chǎn)生氣流畸變現(xiàn)象，形成阻塞區(qū)、背風(fēng)區(qū)、峽口加速區(qū)等風(fēng)險區(qū)域，風(fēng)資源測量往往由于測風(fēng)塔數(shù)量不夠或代表性不足而無法真實反映風(fēng)資源情況，造成評估偏差[5]。目前，國內(nèi)風(fēng)能資源測量普遍采用性價比較高的傳統(tǒng)桁架式測風(fēng)塔進行測風(fēng)，但其在應(yīng)用過程中也暴露出一些問題，如凍雨倒塔、高空安全隱患、山頂面積狹小無法拉線固定等因素。因此，雷達測風(fēng)設(shè)備因具有靈活便捷、大量程、高精度、免基建等優(yōu)點,逐漸被風(fēng)電行業(yè)廣泛應(yīng)用[6-8]。國內(nèi)外對激光雷達、聲雷達測風(fēng)能力、測風(fēng)效果研究較多，但對于不同型式雷達之間測風(fēng)能力、測風(fēng)效果的對比研究相對較少。本文選取重慶市某典型低風(fēng)速復(fù)雜山地風(fēng)電場，采用多種不同類型測風(fēng)雷達設(shè)備與參考測風(fēng)塔在同一地點同期觀測的方法，對測風(fēng)數(shù)據(jù)進行對比，研究不同類型雷達對風(fēng)電場風(fēng)能資源測量的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性，為復(fù)雜山地項目風(fēng)能資源評估提供借鑒[9-11]。

1 研究方法

試驗地點選擇在重慶市萬州區(qū)某一山地，各雷達設(shè)備裝置見圖1，各設(shè)備安裝位置見圖2。地點選擇主要考慮兩方面因素，一是復(fù)雜地形地貌的山地特點，二是具有南方典型陰雨、云霧、有冰凍現(xiàn)象的氣候特點。本次試驗共采用4款雷達測風(fēng)設(shè)備：① 雷達-1為瑞典AQ510聲雷達；② 雷達-2為澳大利亞Fulcrum3D聲雷達；③ 雷達-3為國產(chǎn)西物激光雷達；④ 雷達-4為國產(chǎn)Molas B300激光雷達。雷達設(shè)備與參考測風(fēng)塔同期觀測時間段為2018年2月7日至3月15日。

表1 各設(shè)備測風(fēng)信息統(tǒng)計

參考測風(fēng)塔所在位置樹木覆蓋率高，為避免高大樹木對雷達觀測設(shè)備的影響，雷達觀測區(qū)選擇位于測風(fēng)塔接近正北方向水平距離約510 m處，海拔高程比測風(fēng)塔低約40 m。整個雷達觀測區(qū)為山坡上的一個平坦地面，4座測風(fēng)雷達安裝處于同一海拔高度。試驗主要統(tǒng)計了測風(fēng)塔100、70、50 m高度數(shù)據(jù)，同時考慮了海拔修正，收集雷達對應(yīng)140(130)、110、90 m高度數(shù)據(jù)進行對比分析。

2 測風(fēng)數(shù)據(jù)有效完整率

經(jīng)統(tǒng)計，在進行有效數(shù)據(jù)篩選后，各測風(fēng)設(shè)備同期時段數(shù)據(jù)完整率如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)為不同測風(fēng)設(shè)備型式，縱坐標(biāo)為設(shè)備測風(fēng)有效數(shù)據(jù)完整率。

測風(fēng)塔在試驗所處的冬末初春季節(jié)，相較于雷達測風(fēng)塔受外界因素影響較小，各高度層有效數(shù)據(jù)完整率接近100%。試驗期間，由于現(xiàn)場出現(xiàn)多日陰雨、多霧天氣，激光雷達受此因素影響較為嚴(yán)重，導(dǎo)致出現(xiàn)了部分缺測和不合理數(shù)據(jù)；聲雷達對噪音較為敏感，試驗期間現(xiàn)場存在聲雷達相互干擾的情況，也造成一定數(shù)量的數(shù)據(jù)缺測。由圖3可見，測風(fēng)時段內(nèi)聲雷達的數(shù)據(jù)完整率較于激光雷達要高，分析主要原因為多日陰雨、多霧天氣對激光雷達的影響程度要比噪聲對聲雷達影響程度更重。同時，各雷達設(shè)備有效數(shù)據(jù)完整率均隨著高度的增加，呈逐漸降低的變化趨勢。主要原因是由于電磁波或聲波在傳輸過程中存在能量耗散效應(yīng)，隨著觀測高度的升高，導(dǎo)致出現(xiàn)不同程度的數(shù)據(jù)缺失情況。

3 雷達設(shè)備測風(fēng)準(zhǔn)確性分析

為評估雷達測風(fēng)的準(zhǔn)確性，采用將其測風(fēng)數(shù)據(jù)與同期參考測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進行相關(guān)性、平均風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ确治觥?/p>

3.1 相關(guān)性分析

相關(guān)性可以衡量2個測風(fēng)設(shè)備所測數(shù)據(jù)的相關(guān)密切程度，相關(guān)性越高表明這2個設(shè)備所測數(shù)據(jù)的時間序列變化趨勢越相對一致。本研究中采用線性回歸方法對傳統(tǒng)測風(fēng)塔與雷達設(shè)備所測量風(fēng)速進行相關(guān)性分析，通過相關(guān)性系數(shù)R值判定相關(guān)性的好壞程度。評估中R的使用標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 相關(guān)性系數(shù)R值與相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

測風(fēng)塔與各測風(fēng)雷達之間的風(fēng)速相關(guān)性統(tǒng)計如圖4所示。圖4散點圖中，橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)分別為各雷達設(shè)備、測風(fēng)塔所測量風(fēng)速。由圖4可以看出，測風(fēng)塔各高度層與各雷達設(shè)備在修正后的高度層上數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)R值均在0.8以上，測風(fēng)塔100 m與各雷達130/140 m高度層R值均在0.9以上，相關(guān)性很好。

3.2 平均風(fēng)速對比分析

各雷達設(shè)備與測風(fēng)塔進行風(fēng)速對比偏差均在5%以內(nèi)，同時發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加，偏差值呈增大趨勢。造成風(fēng)速偏差的原因主要有：測風(fēng)塔與雷達設(shè)備間有一定距離，下墊面地形地貌不同，粗糙度不同影響風(fēng)速的能力不同；與雷達本身測量原理有關(guān)，測量高度越高，探測圓半徑越大，尤其復(fù)雜山地情況下測量體內(nèi)流體不均勻，合成風(fēng)速誤差較大。激光雷達較于聲雷達偏差略大。主要由于現(xiàn)場多陰雨、云霧天氣，激光雷達設(shè)備發(fā)射的光信號需要借助空氣中氣溶膠粒子回收反射信號，而空氣濕度較大使氣溶膠粒子較多，影響到信號的反射過程。

3.3 不同設(shè)備的風(fēng)向?qū)Ρ确治?/h3>

從圖5中可以看出各設(shè)備的風(fēng)向玫瑰圖基本一致，說明各設(shè)備對風(fēng)向的測量比較準(zhǔn)確。分析主要原因為測風(fēng)塔與各雷達設(shè)備在風(fēng)向100 m/140(130)m測量高度上其有效數(shù)據(jù)完整率總體較高，分別為測風(fēng)塔97.2%、雷達-1為92.6%、雷達-2為90.2%、雷達-3為88.2%、雷達-4為87.4%。有效數(shù)據(jù)完整率較高，在后期數(shù)據(jù)插補處理時引入的不確定性和誤差相對也會較小。

4 結(jié) 論

本研究通過測風(fēng)雷達與參考測風(fēng)塔同期觀測進行對比試驗，從有效數(shù)據(jù)完整率、相關(guān)性、平均風(fēng)速、風(fēng)向4個方面對各測風(fēng)設(shè)備數(shù)據(jù)進行了對比分析，得到以下結(jié)論：

(1) 南方復(fù)雜山地受地形、地貌、多雨、多霧等因素影響，雷達測風(fēng)完整率相較于傳統(tǒng)測風(fēng)塔較低，不能達到90%，不滿足資源評估完整率要求。因此在南方復(fù)雜山地，雷達不能取代傳統(tǒng)測風(fēng)塔進行單獨觀測而用于資源的精確評估，應(yīng)與傳統(tǒng)測風(fēng)塔進行配合開展測風(fēng)工作。

(2) 雷達測風(fēng)與傳統(tǒng)測風(fēng)塔測風(fēng)成果之間相關(guān)性好，在測風(fēng)塔100 m以上高度，相關(guān)性在0.9以上，因此可以將雷達測風(fēng)作為傳統(tǒng)測風(fēng)塔的輔助測風(fēng)手段，利用其相關(guān)性，在傳統(tǒng)測風(fēng)塔缺失數(shù)據(jù)插補、風(fēng)電場高層切變探明、風(fēng)險機位點排查等方面發(fā)揮其優(yōu)勢。

(3) 本試驗中雷達設(shè)備與測風(fēng)塔測量平均風(fēng)速偏差雖在5%范圍內(nèi)，但是偏差值對項目產(chǎn)能測算已有較大影響，單從風(fēng)速偏差角度來看，直接利用雷達數(shù)據(jù)進行項目產(chǎn)能測算可能導(dǎo)致較大偏差，會影響到項目經(jīng)濟性的評估效果。

(4) 在風(fēng)向觀測方面，雷達設(shè)備與傳統(tǒng)測風(fēng)塔觀測成果趨于一致，在傳統(tǒng)測風(fēng)塔風(fēng)向數(shù)據(jù)缺失時，可考慮引入雷達數(shù)據(jù)進行插補修正。

(5) 南方地區(qū)多雨、多霧、濕度大，根據(jù)雷達的測量原理，激光雷達適應(yīng)性較差，雖其精小靈便，更便于山地搬運，但從測量準(zhǔn)確度角度來看，應(yīng)優(yōu)先選用聲雷達設(shè)備，同時應(yīng)盡可能排除現(xiàn)場噪聲干擾。