面向空中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高空風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)

蔡彥楓 ，李曉宇

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510663；2.廣東科諾勘測(cè)工程有限公司,廣東 廣州 510663；3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司,北京 100120）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)際上出現(xiàn)了1 種新型風(fēng)力發(fā)電形式——空中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（Airborne Wind Energy System,AWES）[1]。AWES 系統(tǒng)采用系留型飛行器，飛行或懸浮于空中捕獲風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為電能，突破了現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架高度限制，可以開(kāi)發(fā)300 m 高度以上乃至整個(gè)大氣邊界層的風(fēng)能資源[2-3]，并且具有占地面積小、噪聲污染小、風(fēng)能儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，從而引起了廣泛關(guān)注。目前，全球已有超過(guò)50 家研發(fā)公司與數(shù)十個(gè)研究機(jī)構(gòu)從事相關(guān)研究工作[4-6]，形成了系留風(fēng)箏式、系留滑翔機(jī)式、系留浮空器式等3 種技術(shù)路線，并衍生出多型樣機(jī)[7-9]；另外國(guó)內(nèi)外均出現(xiàn)了空中風(fēng)力發(fā)電站示范項(xiàng)目。

對(duì)于空中風(fēng)力發(fā)電站工程而言，無(wú)論采用何種形式的AWES 系統(tǒng)，在前期規(guī)劃和可行性研究階段均需要對(duì)項(xiàng)目所在地的高空風(fēng)資源進(jìn)行觀測(cè)與評(píng)估；在后期調(diào)試與投運(yùn)階段則需要對(duì)運(yùn)行高度范圍內(nèi)的高空風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，以確保系留型飛行器的安全。因此，開(kāi)展面向AWES 系統(tǒng)的測(cè)風(fēng)設(shè)備選型研究十分必要。現(xiàn)有的高空風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)手段主要有：測(cè)風(fēng)雷達(dá)（無(wú)線電探空，利用探空氣球作為示蹤物）、系留汽艇搭載螺旋槳式測(cè)風(fēng)儀、測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)等，而具備不間斷連續(xù)觀測(cè)能力的主要設(shè)備為最后兩種遙測(cè)設(shè)備。其中，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的高空風(fēng)資源觀測(cè)和評(píng)估中[10-11]，研究結(jié)果顯示其數(shù)據(jù)獲取率隨著高度升高而降低，雨、霧、云等天氣條件會(huì)限制激光的探測(cè)距離與能力。風(fēng)廓線雷達(dá)在國(guó)內(nèi)外氣象領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在監(jiān)測(cè)中小尺度天氣系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，研究結(jié)果顯示其數(shù)據(jù)獲取率基本不受天氣條件影響，測(cè)風(fēng)精度則會(huì)隨著降水強(qiáng)度不同而發(fā)生變化[12-14]。

目前，國(guó)內(nèi)尚未出現(xiàn)針對(duì)AWES 系統(tǒng)運(yùn)行高度范圍的測(cè)風(fēng)設(shè)備選型研究成果，因此，本文以中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)參與建設(shè)運(yùn)營(yíng)的國(guó)內(nèi)某空中風(fēng)力發(fā)電站示范工程為研究對(duì)象，針對(duì)該項(xiàng)目中AWES 系統(tǒng)獲批的運(yùn)行高度范圍（3 km 以下），開(kāi)展測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)與風(fēng)廓線雷達(dá)的對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，分析不同測(cè)風(fēng)設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取率、垂直廓線特征和時(shí)間變化特征，并對(duì)今后空中風(fēng)力發(fā)電站工程全生命周期內(nèi)的測(cè)風(fēng)設(shè)備選型提出建議。

1 測(cè)風(fēng)設(shè)備與觀測(cè)設(shè)置

1.1 測(cè)風(fēng)設(shè)備

測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的生產(chǎn)廠家為青島鐳測(cè)創(chuàng)芯公司，采用脈沖相干多普勒激光雷達(dá)體制（Coherent Doppler Lidar,CDL），具體型號(hào)為Wind3D 6000，激光波長(zhǎng)1.55 μm，最大探測(cè)距離6 km。風(fēng)廓線雷達(dá)來(lái)自廣州睿海海洋公司，采用相控陣天線與固態(tài)全相參體制，具體型號(hào)為RH-A 3000，工作頻率L 波段，最大探測(cè)高度5 km。兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)風(fēng)設(shè)備技術(shù)參數(shù)對(duì)比表Tab.1 Comparison of technical information about wind lidar and wind profiler radar

1.2 觀測(cè)設(shè)置

如圖1 所示，兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備并排布置在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的空地處，四周空曠無(wú)遮擋。對(duì)比觀測(cè)時(shí)段為2022 年6 月27 日0 時(shí)～7 月27 日0 時(shí)，測(cè)風(fēng)設(shè)備均由互聯(lián)網(wǎng)授時(shí)，不間斷連續(xù)觀測(cè)。兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備均采用五波束掃描方式，分別沿東、南、西、北以及垂直等5 個(gè)方向依次發(fā)射傾斜的探測(cè)波束并接收回波，根據(jù)返回信號(hào)的多普勒頻移形成徑向速度結(jié)果。其中，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的波束傾斜角（與垂直方向的夾角）為21.27°，得到0.17～6.00 km 高度范圍內(nèi)共102 個(gè)垂直分層的徑向速度，垂直分辨率約55 m。風(fēng)廓線雷達(dá)的波束傾斜角為15°，得到0.1～4.9 km 高度范圍內(nèi)共54 個(gè)垂直分層的徑向速度，垂直分辨率為50 m（低、中模式）和100 m（高模式）。

圖1 觀測(cè)地點(diǎn)及對(duì)比驗(yàn)證資料示意圖Fig.1 Schematic diagram of observation location and validation data

2 數(shù)據(jù)處理方法與驗(yàn)證資料

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備均在其信號(hào)處理軟件中內(nèi)置了DBS 風(fēng)場(chǎng)反演方法[15]，將各個(gè)垂直分層的五波束徑向速度反演為相同高度上的水平風(fēng)速V、風(fēng)向D 和垂直速度W，并形成時(shí)間序列V(t)、D(t)、W(t)輸出；其中，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)輸出逐次掃描的反演結(jié)果，風(fēng)廓線雷達(dá)輸出每5 min 平均的反演結(jié)果。本文進(jìn)一步采用算術(shù)平均法，將V(t)和D(t)處理為10 min 平均結(jié)果和1 h 平均結(jié)果，分別用于測(cè)風(fēng)設(shè)備之間對(duì)比，以及測(cè)風(fēng)設(shè)備與再分析資料之間對(duì)比。風(fēng)向在進(jìn)行算術(shù)平均時(shí)考慮“過(guò)零”修正[16]。

在進(jìn)行兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的全高度層風(fēng)速廓線形態(tài)對(duì)比，以及相同高度層的時(shí)間變化特征對(duì)比時(shí)，水平風(fēng)速均進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到無(wú)量綱風(fēng)速廓線V'(z)和無(wú)量綱風(fēng)速時(shí)間序列V'(t)。

V'(z)定義為：

式中：

V(z)——測(cè)風(fēng)設(shè)備在任意垂直層z 上的水平風(fēng)速（m/s）；

V1500——距離大氣邊界層頂特征高度（1 500 m）最近的垂直層上水平風(fēng)速（m/s）。

V'(t)定義為：

式中：

V(t) ——某一高度層上任意平均時(shí)段t 內(nèi)的水平風(fēng)速（m/s）；

Vmean——相同高度層全時(shí)段平均的水平風(fēng)速（m/s）。

2.2 對(duì)比統(tǒng)計(jì)參數(shù)

對(duì)兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備在相同高度層的無(wú)量綱風(fēng)速時(shí)間序列V'(t)與風(fēng)向時(shí)間序列D(t)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到中位數(shù)、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、峰值個(gè)數(shù)、相關(guān)系數(shù)等一系列統(tǒng)計(jì)參數(shù)，開(kāi)展時(shí)間變化特征對(duì)比分析。其中，峰值個(gè)數(shù)的定義如下：把時(shí)間序列看作一維數(shù)組，每個(gè)時(shí)次的觀測(cè)結(jié)果看作數(shù)組中的一個(gè)樣本，峰值個(gè)數(shù)看作一維數(shù)組中的局部最大值個(gè)數(shù)，即數(shù)值大于其左、右相鄰樣本的樣本個(gè)數(shù)。相關(guān)系數(shù)則包括兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備之間的相關(guān)系數(shù)，以及兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備分別與2.3節(jié)所述的同期ERA5 再分析資料之間的相關(guān)系數(shù)。

2.3 驗(yàn)證資料

如圖1 所示，距離觀測(cè)地點(diǎn)最近的高空氣象站站號(hào)為58457，收集觀測(cè)期間內(nèi)該站的無(wú)線電探空資料對(duì)兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的全高度層風(fēng)速廓線和風(fēng)向廓線形態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證資料具體包括每日08 時(shí)與20時(shí)的風(fēng)速和風(fēng)向記錄，高度層為地面層、1 000 hPa、925 hPa、850 hPa 和700 hPa；本文所用高空氣象站資料均來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn）的公開(kāi)資料。

為了彌補(bǔ)高空氣象站定時(shí)觀測(cè)資料的不足，利用能夠提供逐時(shí)全氣象要素結(jié)果的中尺度再分析資料，對(duì)兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)間變化特征進(jìn)行驗(yàn)證。本文所利用的再分析資料來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的ERA5 再分析數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)資料的廣泛驗(yàn)證，能夠提供全球范圍內(nèi)逐小時(shí)、空中不同氣壓層的風(fēng)、溫、壓、濕結(jié)果，空間分辨率0.25°×0.25°，在國(guó)外被用作區(qū)域高空風(fēng)資源分析研究的基礎(chǔ)資料[17-20]。本文選擇觀測(cè)期間內(nèi)ERA5 再分析資料距離觀測(cè)地點(diǎn)最近格點(diǎn)（118.75°E，30.25°N），1 000 hPa、975 hPa、950 hPa、925 hPa、900 hPa、875 hPa、850 hPa、825 hPa、800 hPa、775 hPa、750 hPa 和700 hPa 共12 個(gè)氣壓層的風(fēng)速、風(fēng)向序列。另外，為了分析測(cè)風(fēng)設(shè)備探測(cè)距離隨天氣狀況的變化情況，同步收集觀測(cè)期間內(nèi)中央氣象臺(tái)（http://www.nmc.cn）每日發(fā)布的地面天氣圖、850 hPa 高空天氣圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)獲取率

數(shù)據(jù)獲取率定義為剔除缺測(cè)數(shù)據(jù)后的有效數(shù)據(jù)與全部觀測(cè)數(shù)據(jù)之比。根據(jù)雷達(dá)測(cè)風(fēng)原理，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)或風(fēng)廓線雷達(dá)在獲取徑向速度結(jié)果時(shí)，還同步記錄回波的信噪比。兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備均有預(yù)設(shè)的信噪比閾值，當(dāng)測(cè)量的信噪比低于閾值時(shí)，徑向速度結(jié)果被認(rèn)為無(wú)效，則輸出文件中記為缺測(cè)。實(shí)際測(cè)量中，回波強(qiáng)度可能隨著探測(cè)距離與天氣情況的差異出現(xiàn)下降，導(dǎo)致信噪比低于閾值，則數(shù)據(jù)獲取率通常小于1。根據(jù)本次觀測(cè)試驗(yàn)的測(cè)風(fēng)設(shè)備各自預(yù)設(shè)的信噪比閾值，全時(shí)段數(shù)據(jù)獲取率對(duì)比如圖2 所示。

圖2 平均數(shù)據(jù)獲取率對(duì)比Fig.2 Comparison of average data acquisition rates in the whole observation period

由圖2 可知，當(dāng)從地面升至1 500 m 高度時(shí)，藍(lán)線所示的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率從0.98 逐步遞減至0.9；與參考文獻(xiàn)[6] 的同類型雷達(dá)（最大探測(cè)距離4 km）相比，本文所用測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在大氣邊界層范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)獲取率有一定幅度提升?？赡茉蛟谟诩す夤庠垂β矢螅S著激光脈沖能量的提升，返回信號(hào)抗衰減性能更優(yōu)，最大探測(cè)距離提升至6 km；并且隨著信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)，相同探測(cè)距離內(nèi)可以取得更高的數(shù)據(jù)獲取率。而在大氣邊界層之上，數(shù)據(jù)獲取率迅速下降，到達(dá)3 000 m 高度時(shí)，數(shù)據(jù)獲取率已不足0.4，其成因與云和氣溶膠的形成、分布有關(guān)。一方面，隨著高度上升，氣溫下降，水汽飽和凝結(jié)，具備成云條件，灰線所示的平均云量（ERA5 再分析資料）開(kāi)始增多；隨著探測(cè)距離增大，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)回波途經(jīng)云層時(shí)，能量衰減劇增，信噪比下降明顯。另一方面，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)主要依賴空氣中氣溶膠粒子對(duì)激光波束的后向散射形成返回回波，因此，探測(cè)能力通常與氣溶膠濃度呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系；由于氣溶膠粒子集中在大氣邊界層，在大氣邊界層頂之上的自由大氣，氣溶膠濃度急劇降低，則測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)向更高高度的探測(cè)能力受到天然限制。值得注意的是，紅線所示的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率在全高度層均維持在0.98 以上，其背后的物理機(jī)制在于風(fēng)廓線雷達(dá)采用的電磁波對(duì)云或降水具有一定的穿透能力，既能在晴空條件下獲取大氣湍流散射回波，又能在多云或降水天氣下獲取云和降水粒子的散射回波，從而維持高信噪比和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)獲取率。

進(jìn)一步，選擇7 月4 日至7 月7 日的一次天氣過(guò)程進(jìn)行兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取率差異分析。首先分析該時(shí)段內(nèi)的天氣形勢(shì)，如圖3（a）所示，2203號(hào)熱帶氣旋“暹芭”登陸后其殘余勢(shì)力繼續(xù)深入湖南、湖北境內(nèi)，而2204 號(hào)熱帶氣旋“艾莉”即將登陸和影響日本；因此藍(lán)線所示的海平面氣壓場(chǎng)出現(xiàn)兩個(gè)低壓中心，一個(gè)結(jié)構(gòu)松散，影響我國(guó)華中和華東大部分地區(qū)并逐漸緩慢北抬，對(duì)應(yīng)“暹芭”的殘余環(huán)流；另一個(gè)結(jié)構(gòu)緊密，即將橫穿日本本島，覆蓋范圍較小，對(duì)應(yīng)“艾莉”的臺(tái)風(fēng)中心。如圖3（b）所示，接近1 500 m高度的850 hPa 等壓面上，“暹芭”殘余環(huán)流外圍出現(xiàn)了紫色所示的6 級(jí)以上西南大風(fēng)，不斷引導(dǎo)海上暖濕氣流北上。

圖3 2022 年7 月4 日～7 日一次天氣過(guò)程的天氣形勢(shì)Fig.3 Synoptic charts for weather process from July 4 to July 7 of 2022

該時(shí)段內(nèi)兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的觀測(cè)結(jié)果如圖4 所示，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在此期間因天氣影響出現(xiàn)了多個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)空缺：7 月4 日～5 日，觀測(cè)地點(diǎn)受“暹芭”殘余環(huán)流的低壓系統(tǒng)外圍影響，出現(xiàn)短時(shí)雷雨，降雨結(jié)束后出現(xiàn)輕霧，因此造成測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)出現(xiàn)全高度范圍內(nèi)的缺測(cè)；7 月6 日～7 日，隨著低壓中心北抬，高空的西南大風(fēng)區(qū)覆蓋觀測(cè)地點(diǎn)，天氣轉(zhuǎn)為多云，則1 km 之上的高空出現(xiàn)缺測(cè)。而風(fēng)廓線雷達(dá)則完整地記錄了隨著地面低壓中心和高空西南大風(fēng)區(qū)的移動(dòng)，高空風(fēng)動(dòng)量下傳，使得邊界層內(nèi)風(fēng)速先增大后減小，地面到3 km 高度的風(fēng)向由南風(fēng)偏轉(zhuǎn)為西南風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)變?nèi)^(guò)程?？偟膩?lái)看，風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)各類天氣條件的適應(yīng)性更好。

圖4 2022 年7 月4 日～7 日數(shù)據(jù)獲取情況對(duì)比Fig.4 Data acquisition comparison between wind lidar and wind profiler radar from July 4 to July 7 of 2022

3.2 垂直廓線特征

對(duì)兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備在全觀測(cè)時(shí)段內(nèi)平均的風(fēng)速、風(fēng)向垂直廓線進(jìn)行對(duì)比，如圖5 所示。由圖可知，就無(wú)量綱風(fēng)速廓線而言，兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備在全高度層均呈現(xiàn)基本一致的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，大氣邊界層內(nèi)風(fēng)速隨高度上升而增大；大氣邊界層上風(fēng)速隨高度上升先增大后減小，出現(xiàn)類似低空急流的形態(tài)。上述廓線形態(tài)被再分析資料所再現(xiàn)，另外高空氣象站同期的風(fēng)速廓線統(tǒng)計(jì)結(jié)果在大氣邊界層內(nèi)與兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備基本重合，驗(yàn)證了雷達(dá)反演風(fēng)速的有效性。在2 000 m高度以上，高空氣象站與兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的V'(z)形態(tài)出現(xiàn)偏離；1 000 m 高度以下，再分析資料的V'(z)形態(tài)也逐漸出現(xiàn)偏離，可能原因在于本次收集的高空氣象站資料在大氣邊界層上只有700 hPa 一層，對(duì)1 500～3 000 m 高度范圍內(nèi)的風(fēng)速廓線形態(tài)描述不夠精細(xì)；加之本次觀測(cè)地點(diǎn)位于皖南山區(qū)，0.25°×0.25°的再分析資料對(duì)區(qū)域內(nèi)小尺度地形的刻畫(huà)不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致再分析資料中的低層風(fēng)速偏小。

圖5 垂直廓線特征對(duì)比Fig.5 Vertical profile comparison between wind lidar and wind profiler radar

另外，就風(fēng)向隨高度的變化而言，將兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的風(fēng)向結(jié)果按照每10°扇區(qū)進(jìn)行出現(xiàn)頻率統(tǒng)計(jì)，取頻率最高的風(fēng)速扇區(qū)進(jìn)行比較。如圖5 所示，隨高度升高，兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備均出現(xiàn)主導(dǎo)風(fēng)向輕微偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象：1 000 m 以下的低空主要為220°偏西南風(fēng)，1 000～1 500 m 逐漸右偏，大氣邊界層之上基本穩(wěn)定240°～250°偏西風(fēng)，高空風(fēng)向比低空風(fēng)向大致右偏了20°；上述特征與高空氣象站、再分析資料吻合，從而驗(yàn)證了雷達(dá)反演風(fēng)向的有效性。另外，500～2 500 m高度范圍內(nèi)的相同高度上，兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備之間，以及測(cè)風(fēng)設(shè)備與高空氣象站、再分析資料之間的風(fēng)向偏差普遍小于20°，與已有研究成果基本一致。

3.3 時(shí)間變化特征

以1 500 m 高度為例，對(duì)兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的風(fēng)速、風(fēng)向時(shí)間變化特征進(jìn)行對(duì)比，如圖6 所示。由圖可知，兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備呈現(xiàn)基本一致的逐日、多日波動(dòng)特征和整體變化趨勢(shì)，并且與再分析資料相吻合。觀測(cè)期間因天氣系統(tǒng)生消、移動(dòng)引起的風(fēng)速、風(fēng)向突變時(shí)段在不同設(shè)備的觀測(cè)結(jié)果以及再分析資料中均能相互印證。值得注意的是，在某些時(shí)段內(nèi)，風(fēng)廓線雷達(dá)反演結(jié)果出現(xiàn)持續(xù)振蕩的形態(tài)，可能與大氣湍流活動(dòng)以及本文所用風(fēng)廓線雷達(dá)的信號(hào)處理算法有關(guān)。其他高度層的對(duì)比結(jié)果相似。

圖6 時(shí)間變化特征對(duì)比Fig.6 Temporal variation comparison between wind lidar and wind profiler radar

進(jìn)一步，對(duì)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)結(jié)果取1 h平均后，與再分析資料結(jié)果一同統(tǒng)計(jì)一維時(shí)間序列的相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，取500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m 和3 000 m 作為特征高度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2和表3 所示。就風(fēng)速而言，以中位數(shù)、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)對(duì)比，在1 000～2 500 m 高度之間，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的統(tǒng)計(jì)特征與再分析資料更接近，中位數(shù)、極差、標(biāo)準(zhǔn)差之間的一致性更高，并且與再分析資料之間的相關(guān)性更好。風(fēng)廓線雷達(dá)的差距主要表現(xiàn)為極差和標(biāo)準(zhǔn)差等兩個(gè)指標(biāo)整體偏大，這源于圖6 所示的持續(xù)振蕩現(xiàn)象，同時(shí)也造成時(shí)間序列中的峰值個(gè)數(shù)偏多，反映出本次風(fēng)廓線雷達(dá)反演風(fēng)速結(jié)果中可能包含了更高頻的信號(hào)或者噪聲，使用前需要進(jìn)行濾波，觀測(cè)穩(wěn)定性不及測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。但兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備之間相關(guān)系數(shù)維持在0.84 以上，具有較高的同步性。在其他高度上，兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備之間的偏差有所增大，相關(guān)系數(shù)下降，原因在于500 m 低空時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)受到近地面較旺盛湍流的影響，回波信號(hào)中包含更多干擾，導(dǎo)致反演結(jié)果可能偏離真實(shí)值。而3 000 m 高空時(shí)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)觀測(cè)獲取率降低，用于對(duì)比的樣本數(shù)顯著減少，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)指標(biāo)可能出現(xiàn)偏差。就風(fēng)向而言，同樣表現(xiàn)為測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的統(tǒng)計(jì)特征與再分析資料更接近，但兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備之間，以及與再分析資料之間的相關(guān)系數(shù)不及風(fēng)速。

表2 風(fēng)速統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison of statistical indicators of wind speed

表3 風(fēng)向統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)比Tab.3 Comparison of statistical indicators of wind direction

3.4 討論

綜上所述，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)與風(fēng)廓線雷達(dá)各有優(yōu)勢(shì)與不足。測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)精度較高，在晴空時(shí)段可以獲得3 km 高度范圍內(nèi)的完整觀測(cè)結(jié)果；但微米波長(zhǎng)的激光能量容易受到大氣中的云滴、雨滴衰減，因此，對(duì)天氣變化較為敏感，數(shù)據(jù)獲取率隨著觀測(cè)高度的升高出現(xiàn)下降趨勢(shì)。風(fēng)廓線雷達(dá)的分米波長(zhǎng)穿透性更強(qiáng)，對(duì)各類天氣條件的適應(yīng)性更好，最大探測(cè)高度持續(xù)穩(wěn)定在3 km 甚至更高，但風(fēng)廓線雷達(dá)在低空觀測(cè)時(shí)包含更多干擾，測(cè)風(fēng)精度不及測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。因此，在空中風(fēng)力發(fā)電站工程的前期規(guī)劃和可行性研究階段，可以根據(jù)工程地點(diǎn)的氣候狀況，在干旱、半干旱地區(qū)以測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)為主要測(cè)風(fēng)設(shè)備開(kāi)展周年的高空風(fēng)資源調(diào)查，充分發(fā)揮測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)晴空觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，獲取現(xiàn)場(chǎng)較為精確的測(cè)風(fēng)資料；在濕潤(rùn)、多雨地區(qū)則以風(fēng)廓線雷達(dá)為主，在觀測(cè)之前用測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定，控制風(fēng)廓線雷達(dá)的測(cè)風(fēng)精度。在后期調(diào)試和投運(yùn)階段，可以以風(fēng)廓線雷達(dá)為主，或者風(fēng)廓線雷達(dá)與測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)聯(lián)合觀測(cè)，確保AWES 系統(tǒng)在空中運(yùn)行期間實(shí)時(shí)獲得全高度范圍內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向廓線，以更好地支持空地協(xié)同控制與惡劣天氣下的緊急回收。

另一方面，AWES 技術(shù)對(duì)測(cè)風(fēng)設(shè)備的測(cè)風(fēng)精度和數(shù)據(jù)獲取率均有較高要求，紅外線或微波等單一電磁波段的測(cè)風(fēng)設(shè)備難以兼顧全部的測(cè)風(fēng)需求。在下一步的研究中可以選擇兼顧測(cè)風(fēng)準(zhǔn)確性與雨霧穿透性的毫米波開(kāi)發(fā)新型測(cè)風(fēng)雷達(dá)；也可以考慮研制多電磁波段的新型觀測(cè)設(shè)備，在同一設(shè)備中整合不同波段的優(yōu)勢(shì)，避免不同設(shè)備之間的系統(tǒng)性偏差及額外的采購(gòu)、運(yùn)維成本。

4 結(jié)論

近年來(lái)，高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐以及科學(xué)研究的熱點(diǎn)。2023 年，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大型傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及裝備”立項(xiàng)，將推動(dòng)我國(guó)千米級(jí)高空風(fēng)能發(fā)電原創(chuàng)技術(shù)策源地建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文以某高空風(fēng)能發(fā)電示范工程為研究對(duì)象，針對(duì)該項(xiàng)目中AWES 系統(tǒng)獲批的運(yùn)行高度范圍（3 km 以下），開(kāi)展測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)與風(fēng)廓線雷達(dá)的對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，分析不同設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取率、垂直廓線特征和時(shí)間變化特征，取得如下結(jié)論：

1）大氣邊界層內(nèi)，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)全時(shí)段內(nèi)的平均數(shù)據(jù)獲取率隨高度升高逐步遞減至0.9，在大氣邊界層之上，數(shù)據(jù)獲取率迅速下降，到達(dá)3 000 m 高度時(shí)已不足0.4；風(fēng)廓線雷達(dá)在全高度層的平均數(shù)據(jù)獲取率均維持在0.98 以上，具有更好的觀測(cè)適應(yīng)性。

2）測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)在全觀測(cè)時(shí)段內(nèi)平均的風(fēng)速、風(fēng)向垂直廓線具有一致性，均表現(xiàn)為大氣邊界層內(nèi)風(fēng)速隨高度上升而增大，大氣邊界層上風(fēng)速隨高度上升先增大后減小，出現(xiàn)低空急流形態(tài)；1 000 m 以下的低空主要為220°偏西南風(fēng)，1 000～1 500 m 逐漸右偏，大氣邊界層之上基本穩(wěn)定240°～250°偏西風(fēng)，高空風(fēng)向比低空風(fēng)向大致右偏了20°；上述廓線形態(tài)被再分析資料和高空氣象站同期探空資料所驗(yàn)證。

3）測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)的反演結(jié)果呈現(xiàn)基本一致的逐日、多日波動(dòng)特征和整體變化趨勢(shì)，在1 000～2 500 m 高度之間，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的統(tǒng)計(jì)特征與再分析資料更接近，中位數(shù)、極差、標(biāo)準(zhǔn)差之間的一致性更高，并且與再分析資料之間的相關(guān)性更好；風(fēng)廓線雷達(dá)的極差和標(biāo)準(zhǔn)差等兩個(gè)指標(biāo)整體偏大；500 m 低空時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)受到近地面較旺盛湍流的影響，回波信號(hào)中包含更多干擾，導(dǎo)致反演結(jié)果可能偏離真實(shí)值，測(cè)風(fēng)精度不及測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。

4）在高空風(fēng)能電站工程的不同階段，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在地的氣候狀況與具體的觀測(cè)需求，合理選擇測(cè)風(fēng)設(shè)備，科學(xué)設(shè)置測(cè)風(fēng)方式。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

項(xiàng)目名稱大型傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及裝備（2023YFB4203400）

承擔(dān)單位中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司、西北工業(yè)大學(xué)、重慶交通大學(xué)、清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司、中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所、上海中路(集團(tuán))有限公司、中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司

項(xiàng)目概述大力開(kāi)發(fā)和利用以風(fēng)能為代表的新能源電力，是我國(guó)確保國(guó)家能源安全和實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的必然選擇。21 世紀(jì)以來(lái)，風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)得到了跨越式發(fā)展，有力支撐了我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。目前，我國(guó)陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電裝機(jī)均居全球首位，預(yù)計(jì)到2030 年，風(fēng)電在我國(guó)電源裝機(jī)中的占比將超過(guò)21%。相較于海陸風(fēng)能，高空風(fēng)能具有功率密度大、風(fēng)向風(fēng)能平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)已得到了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的廣泛關(guān)注，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用潛力較大。根據(jù)風(fēng)能捕獲與機(jī)電能量轉(zhuǎn)化方式的不同，高空風(fēng)電分為陸基和空基兩種方式?？紤]到裝備重量等因素約束，陸基高空風(fēng)力發(fā)電在大型化量產(chǎn)上具有一定優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外已完成的空基高空風(fēng)電最大功率為600 kW，而我團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)的傘梯式陸基高空風(fēng)電機(jī)組，已在安徽績(jī)溪實(shí)現(xiàn)了單機(jī)2.4 MW 的工程示范。瞄準(zhǔn)機(jī)組未來(lái)的大型化、規(guī)?；l(fā)展，傘梯式高空風(fēng)電在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程仍暴露出風(fēng)能高效捕獲難、空地能量高效轉(zhuǎn)換難、長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定控制難等諸多難題。亟需探明傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)中的核心原理，提出具有先進(jìn)性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。瞄準(zhǔn)高空風(fēng)資源的開(kāi)發(fā)利用，突破高效風(fēng)能捕獲、高效能量傳輸、長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制等一系列技術(shù)難題，建立大型傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電理論體系，提出全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大功率、高效、高可靠高空風(fēng)力發(fā)電一體化解決方案，研制10 MW 樣機(jī)并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用驗(yàn)證，形成高空風(fēng)力發(fā)電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)空白，推動(dòng)我國(guó)高空風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)本項(xiàng)目擬解決兩項(xiàng)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：（1）傘梯復(fù)雜流固耦合動(dòng)力學(xué)機(jī)制與高效風(fēng)能捕獲機(jī)理；（2）高空風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量傳遞、耗散、轉(zhuǎn)化機(jī)理及協(xié)同調(diào)控機(jī)制。擬攻克五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：（1）考慮高空風(fēng)環(huán)境與柔性傘流-固耦合效應(yīng)的高精度數(shù)值模擬方法及氣動(dòng)布局優(yōu)化技術(shù)；（2）多變向載荷隨向順應(yīng)及重載分匯流高效高可靠傳輸技術(shù)；（3）強(qiáng)非恒定環(huán)境下發(fā)電組件全過(guò)程動(dòng)態(tài)耦合仿真和全系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)；（4）適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定高效運(yùn)行的傘梯系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化控制技術(shù)；（5）大型傘梯式陸基高空風(fēng)力發(fā)電裝備一體化集成技術(shù)。