激光雷達測風的可靠性驗證

袁紅亮，陳 彬，劉 瑋，宋俊博，王 炎

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

風能資源測量是風電開發(fā)過程中最重要的工作內(nèi)容之一，主要包括風速和風向等氣象要素的觀測。隨著技術(shù)的不斷進步，風能資源測量手段也在不斷更新。機械式測風設(shè)備與塔體構(gòu)成的測風系統(tǒng)是通用、標準的測量方法，但是建設(shè)周期長、單點測量、拆除難度大、不能重復利用；微波雷達、多普勒聲波雷達測風技術(shù)對大氣環(huán)境要求高[1-3]。激光雷達測風作為近幾年發(fā)展應用較快的新型測風技術(shù)，因其具有分辨率高、設(shè)備靈巧、環(huán)境適應性強、能快速投入觀測、可測量高度高、適合多點同期觀測等優(yōu)點，在風電開發(fā)中有重要的應用價值[4-5]。

常用的激光雷達測風系統(tǒng)有國外Windcube、Galion和國內(nèi)WindPrint、Molas等。其中，Windcube系統(tǒng)是由法國Leosphere公司研制的一套專業(yè)激光雷達測風系統(tǒng)，根據(jù)測量原理主要分為掃描式激光雷達(Windcube 100S/200S/400S)和垂直式激光雷達(Windcube V2)。掃描式激光雷達可以測量多個距離、任意方位目標點的徑向風速，垂直式激光雷達可以自定義12個垂向測量高度，實現(xiàn)不同高度同一秒內(nèi)的同步測量[6]，該套系統(tǒng)已在全球多個風電工程中得到應用。

激光雷達作為一種新型的風能資源測量技術(shù)，在用于風電工程測風之前，應先與機械式測風設(shè)備進行對比觀測[7]，驗證其可靠性，以確定其在該地區(qū)的適用性。本文以中國西北地區(qū)某大型風電基地中風功率預測塔作為實驗，分別采用一臺Windcube 200S和一臺Windcube V2激光雷達與實驗風功率預測塔開展同期對比測風工作，總結(jié)工程實踐經(jīng)驗，為激光雷達在我國“三北”平坦地形風電場的應用提供工程實例。

1 激光雷達測風原理

1.1 Windcube 200S激光雷達原理

Windcube 200S采用 “外差法的多普勒頻移激光探測和測距”技術(shù)。測量基本原理為：激光雷達將激光脈沖發(fā)射到大氣中，脈沖激光波在大氣傳播的過程中，部分信號遇到空氣中的微粒發(fā)生反向散射并引發(fā)信號的頻移(被稱為多普勒頻移)，正比于粒子的徑向風速。激光雷達接受反向散射信號，根據(jù)多普勒頻移與空氣微粒徑向風速的關(guān)系計算出徑向風速，實現(xiàn)對風速的測量。然后，將徑向風速通過矢量分解為水平風速，再通過算數(shù)平均獲得10 min或者1 h級的水平平均風速。

圖1 Windcube 200S激光雷達測量原理

Windcube 200S共有4種掃描模式：PPI(方位角測量模式)，RHI(高度角測量模式)，DBS模式(垂直風廓線測量模式)和LOS模式(指定方位測量模式)。測量可以覆蓋在整個半球空間(方位角0°～360°，高度角-10°～190°)。

1.2 Windcube V2激光雷達原理

Windcube V2采用激光脈沖多普勒頻移原理：每次發(fā)射4束脈沖波，每列波束與垂直方向的夾角均為28°，各列波方位角相差90°，通過捕捉反射波，經(jīng)外差檢驗法獲得頻移，由頻移計算得到4個徑向風速(多普勒頻移1.3 MHz對應1 m/s的風速)，再進一步計算出各個高度的秒級水平風速。獲得秒級數(shù)據(jù)后，通過矢量分解和算數(shù)平均計算得到10 min或者1 h級的水平風速。

圖2 Windcube V2激光雷達測量原理

2 激光雷達測試方案

本文選擇西北某大型風電基地中最靠近下風向的風電場作為激光雷達觀測驗證的實驗風電場，區(qū)域主風向為東(E)風，激光雷達的主要選址原則包括：

(1) 雷達掃描范圍近端應避免受到風電機組的遮擋，因此雷達放置應盡量遠離風電機組。

(2) 掃描式激光雷達在運行中耗電較多，僅通過太陽能電池板無法提供足夠電能，需要采用外接電源。因此雷達應盡量靠近風電機組，以便從風電機組接入電源。

(3) 雷達選址應考慮防洪問題，站址及電源路徑均應避開沖溝。

按照上述原則，Windcube 200S激光雷達的選址于實驗風電場最東側(cè)一排中間2臺風機的正中偏東位置，與風機的東西間距約260 m(3D)、南北距離約185 m(2D)。采用PPI模式和DBS模式，東向掃描方位角為45°～135°、西向掃描方位角為225°～315°，PPI模式高度角設(shè)置為1.1°、2.1°、3.5°，距離分辨率為75 m；DBS模式高度角為62.5°。1 h周期內(nèi)，設(shè)備每隔10 min換方向掃描。設(shè)備站址相對位置及掃描區(qū)域范圍示意見圖3，垂直測量范圍示意見圖4。

圖3 Windcube 200S激光雷達站址及掃描范圍

圖4 Windcube 200S垂直測量范圍

為了使兩款激光雷達進行同步對比觀測，Windcube V2與Windcube 200S相鄰布置，Windcube V2位于東側(cè)，二者之間的距離為2 m。Windcube V2測量高度范圍為50～210 m，共12個測量高度層。

3 激光雷達測風的可靠性驗證

本文利用實驗風電場5026號風功率預測塔與Windcube 200S和Windcube V2的同期觀測數(shù)據(jù)，對激光雷達測風的可靠性進行驗證。

Windcube 200S和Windcube V2設(shè)備均位于5026號塔東北方向約2.3 km，相對位置關(guān)系見圖5。Windcube 200S是掃描式測量風速，采用其在5026號塔周邊最近的4個測點數(shù)據(jù)與5026號塔測量數(shù)據(jù)進行相關(guān)性和差值對比分析；Windcube V2是垂向測量風速，采用其測量數(shù)據(jù)與5026號塔同高度測量數(shù)據(jù)進行相關(guān)性和差值對比分析。

圖5 測風塔與激光雷達相對位置

3.1 兩款激光雷達風速對比分析

本文選取兩款激光雷達5月11日至5月12日2d同期測風數(shù)據(jù)進行對比分析驗證。Windcube 200S與Windcube V2同期風速對比觀測結(jié)果分析見表1和圖6,可以看出Windcube 200S與Windcube V2激光雷達各高度相關(guān)系數(shù)均在0.976及以上，相關(guān)性非常好；兩款激光雷達設(shè)備所測風速差最大值僅0.08 m/s，差值很小。說明兩款設(shè)備風速測量結(jié)果一致性很高。

圖6 Windcube 200S與Windcube V2各高度同期風速對比

表1 Windcube 200S(X)與Windcube V2(Y)風速同期對比觀測結(jié)果分析表

3.2 Windcube 200S激光雷達測風驗證

本文對Windcube 200S在5026號測風塔附近的4個測點逐10 min風速數(shù)據(jù)進行對比分析，測點編號為cft1、cft2、cft3和cft4，同期觀測數(shù)據(jù)為8-18 0時—10-1 2時。激光雷達測點布置見圖5。

(1) 測點數(shù)據(jù)分析

根據(jù)4個測風點同期數(shù)據(jù)進行分析。結(jié)果表明：各測點間風速差在0.02～0.11 m/s。其中上風向cft1與cft2風速較為接近，下風向cft3與cft4風速相差較大，可能與測風塔塔影影響有關(guān)，或者與雷達設(shè)備自身誤差有關(guān)。另外，各測點相關(guān)系數(shù)均在0.985及以上，相關(guān)性非常好。各測點風速統(tǒng)計見表2，相關(guān)性統(tǒng)計見表3。

表2 各測點風速統(tǒng)計表

表3 各測風點相關(guān)性統(tǒng)計表

(2) 各測點與5026號塔相關(guān)性分析

對各測點分別與5026號塔同高度的同期數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果表明：各測點與5026號塔同期風速誤差絕對值在0.016～0.087，誤差百分數(shù)絕對值在0.27%～1.53%，ctf4測量結(jié)果相對偏大；同期數(shù)據(jù)相關(guān)性在0.970及以上，相關(guān)性很好。各測點與5026號塔風速比較統(tǒng)計見表4，相關(guān)性統(tǒng)計見表5。

表4 各測點與5026號塔風速比較表

表5 各測風點與5026號塔相關(guān)性統(tǒng)計表

3.3 Windcube V2激光雷達測風驗證

根據(jù)收集到的8-18 0時—10-14 23時同期逐小時風速數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果表明：Windcube V2與5026號塔各高度相關(guān)性系數(shù)在0.971及以上，相關(guān)性非常好；兩套設(shè)備50、70 m高度風速實測誤差百分數(shù)超過3%，Windcube V2風速測量值偏大。Windcube V2與5026號塔50、70 m高度同期風速及相關(guān)性統(tǒng)計見表6。

表6 5026號(x)與Windcube V2(y)各高度相關(guān)性及同期風速統(tǒng)計表

3.4 激光雷達風向?qū)Ρ闰炞C

根據(jù)收集到的5026號測風塔與Windcube 200S和Windcube V2激光雷達2008年5月11日0時至2009年3月31日23時同期70 m高度逐10 min風向數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果表明：Windcube 200S和Windcube V2兩款激光雷達測得的風向與5026號塔風向一致性很高，均以東(E)風、西(W)風為主風向，其余各扇區(qū)風向頻率也非常接近。

圖7 測風塔與Windcube 200S、Windcube V2同期風向?qū)Ρ?/p>

3.5 激光雷達風廓線對比驗證

根據(jù)收集到的5026號測風塔與Windcube 200S和Windcube V2激光雷達2008年5月11日0時至2009年3月31日23時同期各高度逐10 min風速數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果表明：Windcube 200S和Windcube V2兩款激光雷達測得的風廓線與5026號塔風廓線變化趨勢一致，風切變指數(shù)也非常接近。

圖8 測風塔與Windcube 200S、Windcube V2同期風廓線對比

4 結(jié) 論

本文以我國西北地區(qū)某大型風電基地中的運行風電場作為實驗，將風功率預測塔與兩款激光雷達的測風結(jié)果進行了對比分析，驗證了激光雷達測風的可靠性，得出以下結(jié)論：

(1) Windcube 200S與Windcube V2兩款激光雷達的風速相關(guān)性在0.976及以上；風速差最大值為0.08 m/s。說明風速測量結(jié)果一致性很高。

(2) Windcube 200S與風功率預測塔的風速相關(guān)性在0.970及以上，風速誤差百分數(shù)絕對值最大為1.53%。證明Windcube 200S的測量結(jié)果可靠。

(3) Windcube V2與風功率預測塔的風速相關(guān)性在0.971及以上，風速誤差百分數(shù)超過3%，證明Windcube V2的測量數(shù)據(jù)稍微偏大。

(4) Windcube 200S和Windcube V2與風功率預測塔的風向一致，風廓線變化趨勢一致。

通過對比分析可知，Windcube 200S、Windcube V2兩款激光雷達與風功率預測塔風速風向測量成果具有很高的相關(guān)性和一致性，測量結(jié)果總體可靠，可以為同類型地區(qū)的激光雷達測風工作提供工程借鑒。