測風(fēng)激光雷達(dá)在智慧風(fēng)電場的應(yīng)用進展

摘 要：測風(fēng)激光雷達(dá)作為一種遠(yuǎn)距離、高精度、抗干擾性強、便于安裝部署的實時測風(fēng)設(shè)備，逐漸被廣泛深入地應(yīng)用于風(fēng)電設(shè)計、運營、改造優(yōu)化等各個階段?；诖耍唵谓榻B了測風(fēng)激光雷達(dá)的探測原理和主要分類，重點講述了測風(fēng)激光雷達(dá)在風(fēng)能資源評估、偏航控制、功率曲線測試、尾流探測等重要場景的應(yīng)用情況，最后結(jié)合風(fēng)電行業(yè)的未來前景，討論了應(yīng)用于風(fēng)電場的測風(fēng)激光雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；智能化；風(fēng)電場；偏航控制；功率曲線；尾流探測

中圖分類號：TP39；TN958.98 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-0-05

0 引 言

在我國，風(fēng)電是第三大能量來源，并網(wǎng)裝機容量持續(xù)13年領(lǐng)跑全球。作為風(fēng)電的驅(qū)動源，風(fēng)具有不受控制、存在垂直分層、易隨時空變化等典型特點，已成為風(fēng)能開發(fā)利用中的主要不確定因素。風(fēng)場測量的準(zhǔn)確性和實時性會影響風(fēng)電場的選址設(shè)計和建設(shè)成本，是決定風(fēng)電機組發(fā)電效能的關(guān)鍵因素，同時還會威脅到風(fēng)電機組的運行安全和使用壽命。因此，測風(fēng)是貫穿風(fēng)電設(shè)計、運營、改造階段的一項必不可少的程序。

目前風(fēng)電場常用的測風(fēng)技術(shù)包括機械式或超聲風(fēng)速計、測風(fēng)塔、聲雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)和測風(fēng)激光雷達(dá)。風(fēng)速計安裝于風(fēng)機機艙后部，具有成本低、實時性好、便于安裝等特點，但僅能滯后地捕捉已經(jīng)作用于風(fēng)機葉片的來流，其準(zhǔn)確性也易受到風(fēng)機尾流的影響，單獨使用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足現(xiàn)代風(fēng)電場對測風(fēng)技術(shù)的要求。測風(fēng)塔能夠高精度實時獲取不同高度處的風(fēng)矢量信息，是風(fēng)電行業(yè)長期以來的測風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但其安裝、維護和拆除成本較高，占地面積較大，審批手續(xù)復(fù)雜，近些年更是頻頻出現(xiàn)測風(fēng)塔倒塌損壞風(fēng)機的事故，在日益增多的復(fù)雜地形（山地、海洋等）風(fēng)電場中的適用性較低。聲雷達(dá)（SODAR）利用聲波的多普勒頻移實現(xiàn)大氣風(fēng)場測量，具有較高的時空分辨率，但SODAR信號靈敏度嚴(yán)重受限于空氣濕度，且體積龐大，難以在復(fù)雜地形環(huán)境進行長期觀測。風(fēng)廓線雷達(dá)（Radar Wind Profiler， RWP）利用霧、雨、雪對微波的散射來探測大氣風(fēng)場，具有最大的探測范圍，實時性較好，是一種較為成熟的地基遙感設(shè)備，但其測量精度和空間分辨率不高，晴天天氣信噪比有限，安裝占地面積較大，售價則高達(dá)數(shù)百萬元，這些因素導(dǎo)致RWP目前主要用于雨雪天氣風(fēng)場和湍流的觀測研究，很少應(yīng)用于風(fēng)電相關(guān)的風(fēng)場測量。測風(fēng)激光雷達(dá)（Doppler Wind Lidar， DWL）經(jīng)過半個世紀(jì)的技術(shù)更新，具有高精度、高時空分辨率、非接觸式遠(yuǎn)距離測量等突出特點，常規(guī)重量不超過50 kg，占地面積極小，容易安裝、移動和拆除，近些年逐漸在風(fēng)電行業(yè)被廣泛部署應(yīng)用。

經(jīng)過進一步調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然測風(fēng)激光雷達(dá)在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用僅有20年的時間，但已經(jīng)取得了大量研究成果，尤其是近些年，相關(guān)研究數(shù)量呈直線上升趨勢，觀測試驗覆蓋了風(fēng)電項目的全生命周期，如圖1所示。2012年，國際電工委員會（International Electrotcchnical Commission， IEC）出臺有關(guān)風(fēng)力發(fā)電機組的功率性能測試標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了地基式測風(fēng)激光雷達(dá)可在風(fēng)速計的輔助下進行風(fēng)機的功率曲線測試。2017年，IEC發(fā)布該標(biāo)準(zhǔn)的更新版，引入了風(fēng)輪等效風(fēng)速的概念，正式接納測風(fēng)激光雷達(dá)作為風(fēng)場測量設(shè)備為風(fēng)電場實施風(fēng)能資源評估和功率曲線測試，并為其提供具有指導(dǎo)意義的技術(shù)基礎(chǔ)。2022年，IEC 61400-50-3標(biāo)準(zhǔn)中給出了使用機艙式測風(fēng)激光雷達(dá)進行風(fēng)場測量的程序和方法，以確保得到一致、通用的測量數(shù)據(jù)及報告。這些觀測研究的開展及標(biāo)準(zhǔn)的出臺大大促進了測風(fēng)激光雷達(dá)在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用。目前，丹麥、德國等多個國家已將其用于風(fēng)電場的業(yè)務(wù)化測量。

測風(fēng)激光雷達(dá)作為一種體制新穎、功能實用的測風(fēng)設(shè)備，在風(fēng)電行業(yè)中應(yīng)用得已經(jīng)較為普及。本文主要總結(jié)國內(nèi)外測風(fēng)激光雷達(dá)在風(fēng)能資源評估、功率曲線測試、偏航控制、尾流探測等風(fēng)電行業(yè)主要場景中的應(yīng)用進展。

1 測風(fēng)激光雷達(dá)介紹

1.1 基本原理

測風(fēng)激光雷達(dá)的基本工作原理是激光的多普勒效應(yīng)，如圖2（a）所示。測風(fēng)激光雷達(dá)發(fā)射一定波長的激光，光子與運動的氣溶膠和大氣分子發(fā)生相互作用，散射光的波長產(chǎn)生一定的頻移，通過檢測散射信號光的多普勒頻移，即可反演得到不同距離處的視向風(fēng)速。

1.2 測風(fēng)激光雷達(dá)分類

目前，應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)的測風(fēng)激光雷達(dá)有許多種類，如圖2（b）所示。按照技術(shù)體制，測風(fēng)激光雷達(dá)可分為直探型和相干型，前者直接進行激光頻移信號的能量探測，后者利用外差探測器得到包含多普勒頻率的時間相干拍頻信號，理論上信噪比可達(dá)到量子噪聲極限，直探型和相干型測風(fēng)激光雷達(dá)均有很高的技術(shù)成熟度。按照激光源類型，測風(fēng)激光雷達(dá)可分為連續(xù)型和脈沖型，兩者的主要區(qū)別在于激光功率輸出在時間上是否連續(xù)。按照使用平臺，常用的DWL包括地基式、機艙式、漂浮式，它們分別安裝于近地面、機艙和海上漂浮平臺，如圖2（c）所示，進行風(fēng)機附近區(qū)域的風(fēng)場測量。

2 測風(fēng)激光雷達(dá)在風(fēng)電行業(yè)的典型應(yīng)用

調(diào)研結(jié)果顯示，測風(fēng)激光雷達(dá)在風(fēng)電項目中的應(yīng)用場景包括開發(fā)階段的風(fēng)能資源評估、風(fēng)機選型，運營階段的偏航控制、功率曲線測試、尾流探測，改造優(yōu)化階段的風(fēng)能資源評估、風(fēng)機選型、功率曲線校正、場群控制等。測風(fēng)激光雷達(dá)的應(yīng)用場景覆蓋了風(fēng)電項目的全生命周期。此外，部分研究還討論了測風(fēng)激光雷達(dá)用于陣風(fēng)預(yù)警、風(fēng)功率預(yù)測、載荷研究等場景的可能性。下面詳述測風(fēng)激光雷達(dá)的幾個主要應(yīng)用場景。

2.1 風(fēng)能資源評估

風(fēng)電項目的經(jīng)濟效益在很大程度上取決于風(fēng)電場的風(fēng)能資源，風(fēng)能資源評估作為風(fēng)電項目開發(fā)的前期工程，與風(fēng)電場的選址建設(shè)和發(fā)電量預(yù)估有直接關(guān)聯(lián)。根據(jù)Betz理論，風(fēng)機理論發(fā)電功率與風(fēng)速的立方成正比[1]，而大氣風(fēng)場隨時間、空間、高度呈現(xiàn)明顯的變化。因此，在項目開發(fā)和優(yōu)化改造階段，需要對潛在風(fēng)電場址的區(qū)域風(fēng)場進行足夠時間的測量，以評估分析當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源潛力及質(zhì)量。

2005—2006年，在歐盟DOWNVInD項目的支持下[2]，利用地基式測風(fēng)激光雷達(dá)在蘇格蘭陸地和海邊風(fēng)電場進行了為期8個月的風(fēng)場測量試驗，并將測風(fēng)激光雷達(dá)的水平風(fēng)速、風(fēng)向測量結(jié)果同測風(fēng)塔的結(jié)果進行了完整比對（如圖3所示），兩者呈現(xiàn)了極好的一致性，相關(guān)性達(dá)0.93～0.99，R2達(dá)0.96～1.0，驗證了測風(fēng)激光雷達(dá)的測風(fēng)能力及其用于風(fēng)能資源評估的適宜性。

隨著風(fēng)機扇葉直徑和風(fēng)機整體高度的不斷增加，風(fēng)電場的標(biāo)準(zhǔn)儀器—測風(fēng)塔在垂直方向逐漸難以覆蓋整個風(fēng)機扇區(qū)范圍[3]，風(fēng)電設(shè)計院和風(fēng)電場投資者開始嘗試實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量的遙感測風(fēng)設(shè)備，測風(fēng)激光雷達(dá)以其突出特點逐漸被用于風(fēng)電場風(fēng)能密度、年有效小時數(shù)、湍流強度、風(fēng)向統(tǒng)計特性等方面的測量[4-7]，在實現(xiàn)風(fēng)能參數(shù)準(zhǔn)確評估分析的同時，以其易安裝部署的優(yōu)點縮短了風(fēng)電項目開發(fā)和優(yōu)化改造周期，成為風(fēng)能資源評估的重要選擇。2017年，測風(fēng)激光雷達(dá)被寫入風(fēng)能資源評估的IEC國際標(biāo)準(zhǔn)。采用地基式相干型測風(fēng)激光雷達(dá)對美國某擬建風(fēng)電場的2個月風(fēng)能資源進行評估的結(jié)果如圖4所示。

目前，隨著中國風(fēng)電項目開發(fā)逐漸向深遠(yuǎn)海、山地復(fù)雜地形發(fā)展，漂浮式測風(fēng)激光雷達(dá)以能夠遠(yuǎn)距離測量、可重復(fù)使用、便于部署維護等優(yōu)點[8]，成為測風(fēng)塔的備選設(shè)備，但受限于技術(shù)成熟度和數(shù)據(jù)有效率，目前仍需更多的實測驗證[9]。

2.2 功率曲線測試與校正

風(fēng)機發(fā)電性能和效率直接決定風(fēng)電場投產(chǎn)后的收益水平[10]。功率曲線描述了風(fēng)速和風(fēng)機輸出功率之間的定量關(guān)系，是風(fēng)機最重要的技術(shù)參數(shù)，其測試也是風(fēng)機準(zhǔn)入的必備環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方法采用測風(fēng)塔進行功率曲線的測試和校正，對場地要求較為苛刻，測試過程復(fù)雜，周期較長。同時，隨著風(fēng)電機組日趨大型化，風(fēng)剪切和湍流作用對風(fēng)速的影響愈加凸顯[11]，單一輪轂高度處風(fēng)速難以準(zhǔn)確反映整個風(fēng)機葉輪情況，使得傳統(tǒng)測試方法的適用性降低。

在利用測風(fēng)激光雷達(dá)進行風(fēng)機功率曲線測試和校正方面，丹麥技術(shù)大學(xué)風(fēng)能研究中心進行了較多的外場試驗研究[12-16]，評估了垂直風(fēng)切變和湍流產(chǎn)生的測量誤差，提出利用等效風(fēng)輪風(fēng)速代替風(fēng)機輪轂風(fēng)速進行功率曲線的測試和校正，如圖5所示；在此基礎(chǔ)上，還分別利用測風(fēng)激光雷達(dá)和測風(fēng)塔對丹麥Ris?觀測場風(fēng)機的功率曲線進行了測試，發(fā)現(xiàn)兩者總體存在1.4%的差別，如圖6所示。在國內(nèi)，李晟[17]開展了在復(fù)雜地形下使用測風(fēng)激光雷達(dá)進行風(fēng)電機組功率曲線的測試。雷陽等人[18]通過測風(fēng)激光雷達(dá)測量得到多個型號風(fēng)機的功率曲線，并參考IEC 61400.12.1國際標(biāo)準(zhǔn)，對比分析了所得功率曲線，并依此確定出較優(yōu)機型，為風(fēng)電機組性能評估和風(fēng)電場的機組選型提供了參考。

2.3 偏航控制

風(fēng)向?qū)?zhǔn)和跟蹤式減少風(fēng)能捕獲損失的關(guān)鍵是研究改善風(fēng)機的偏航控制技術(shù)，這對于提升風(fēng)能利用效率、延長風(fēng)機整體壽命、實現(xiàn)風(fēng)電場安全可靠運行有著重要的意義[19]。目前，圖7所示的用于風(fēng)機偏航控制的機艙風(fēng)速計容易受到尾流、冰凍的影響，風(fēng)矢量測量信息存在滯后的現(xiàn)象，會影響風(fēng)機的偏航控制精度。研究表明，在偏航誤差糾正的結(jié)果中，約30%的風(fēng)機偏航誤差超過6°[20]，此時風(fēng)機年發(fā)電量會損失1.8%，經(jīng)濟收益顯著降低。

基于風(fēng)場測量的準(zhǔn)確性研究中，國內(nèi)外一些學(xué)者做了許多機艙風(fēng)速計測量結(jié)果的對比分析，發(fā)現(xiàn)機艙風(fēng)速計存在5°～15°的對風(fēng)偏差。目前，利用測風(fēng)激光雷達(dá)進行機艙風(fēng)速計偏航誤差校正已得到廣泛的認(rèn)可[21-26]。目前，關(guān)于測風(fēng)激光雷達(dá)在風(fēng)機偏航方面的應(yīng)用仍集中在輔助控制方面，偏航控制策略尚未發(fā)揮其提前測風(fēng)的優(yōu)勢，這可能是未來風(fēng)機設(shè)計和研制的一個關(guān)注點[7]。

2.4 尾流探測

在近地層大氣中，風(fēng)機的阻擋和葉片的轉(zhuǎn)動作用能夠使得風(fēng)機的下風(fēng)向產(chǎn)生風(fēng)速減小、湍流度增加的尾流區(qū)，造成下游風(fēng)機發(fā)電功率的下降和疲勞負(fù)載的增大[27]，最終影響風(fēng)電場的綜合經(jīng)濟效益[28]。因此，測量研究風(fēng)機的尾流效應(yīng)對優(yōu)化風(fēng)電場設(shè)計、提高風(fēng)力發(fā)電輸出功率和延長風(fēng)機壽命有著重要的意義。

2005年，Bing?l[29]首次使用測風(fēng)激光雷達(dá)對風(fēng)機尾流進行了定量觀測試驗，圖8展示了其試驗設(shè)計和尾流觀測結(jié)果。該試驗將ZephIR公司生產(chǎn)的連續(xù)型測風(fēng)激光雷達(dá)安裝在丹麥Ris?觀測場的一臺風(fēng)機上，通過外置掃描機構(gòu)實現(xiàn)風(fēng)場測量過程中橫搖和俯仰的快速掃描，捕捉到風(fēng)機尾流中存在明顯的風(fēng)速損失。

隨后，國內(nèi)外多個風(fēng)電場陸續(xù)開展了針對不同大氣狀況和地形環(huán)境的風(fēng)機尾流結(jié)構(gòu)特性觀測試驗[27， 30-37]，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機尾流明顯增強了大氣的湍流混合，且不同地形環(huán)境下的尾流參數(shù)的相關(guān)性存在很大不同（如圖9所示）；部分研究還將測風(fēng)激光雷達(dá)觀測結(jié)果同大渦模擬或半經(jīng)驗尾流模型進行了比對和驗證[6， 38-40]。El-Asha等人[28]利用測風(fēng)激光雷達(dá)和風(fēng)機數(shù)據(jù)采集監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA），研究了美國德克薩斯州一座建有25臺風(fēng)機的風(fēng)電場的尾流狀況，發(fā)現(xiàn)尾流效應(yīng)造成風(fēng)電場發(fā)電功率總體減少2%～4%。這些研究大大提升了我們對不同地形和規(guī)模的風(fēng)電場的尾流的認(rèn)識?；陲L(fēng)機尾流的測風(fēng)激光雷達(dá)觀測結(jié)果，已有學(xué)者使用尾流重定向技術(shù)來提高風(fēng)電場的凈發(fā)電效率[41-42]。

3 結(jié) 語

近些年，減碳意識逐漸深入人心，風(fēng)力發(fā)電在可再生能源利用領(lǐng)域發(fā)展勢頭迅猛，風(fēng)能也已成為我國第三大能量來源。與此同時，隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，測風(fēng)激光雷達(dá)以其高精度遠(yuǎn)距離測量、高時空分辨率、易安裝部署等突出特點，在風(fēng)電行業(yè)獲得了日益廣泛的認(rèn)可，在風(fēng)能資源評估、偏航校正、場群控制等重要應(yīng)用場景出現(xiàn)越來越多的成功案例。包括丹麥技術(shù)大學(xué)、法國Leosphere公司、中國電科二十七所、南京牧鐳公司、中國海洋大學(xué)在內(nèi)的國內(nèi)外研究機構(gòu)，一方面通過觀測研究不斷拓展測風(fēng)激光雷達(dá)在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用場景，另一方面也針對該行業(yè)的特殊性持續(xù)進行測風(fēng)激光雷達(dá)產(chǎn)品的更新迭代。結(jié)合風(fēng)電行業(yè)的未來發(fā)展前景，總結(jié)測風(fēng)激光雷達(dá)目前存在的問題和技術(shù)發(fā)展趨勢如下：

（1）目前測風(fēng)激光雷達(dá)在風(fēng)電行業(yè)的推廣程度仍顯不足，需要國內(nèi)外研發(fā)機構(gòu)與風(fēng)機廠商、風(fēng)電設(shè)計院進行更加緊密的合作溝通，做好測風(fēng)激光雷達(dá)的安裝部署、數(shù)據(jù)接入、狀態(tài)控制，將其更好地接入風(fēng)電場的控制管理系統(tǒng)。

（2）隨著風(fēng)能開發(fā)利用的不斷深入，山地復(fù)雜地形和遠(yuǎn)海建立了大量的風(fēng)電場，風(fēng)機扇葉直徑越來越大，測風(fēng)激光雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性和數(shù)據(jù)有效性面臨一定的挑戰(zhàn)。

（3）全球能源體系迎來深刻變革，能源產(chǎn)業(yè)智能化升級進程加快，無人值守、故障診斷等能源生產(chǎn)運行技術(shù)的信息化和智能化水平持續(xù)提升。在風(fēng)電智能化升級進程的背景下，結(jié)合大量先進傳感器和智能控制技術(shù)的智能風(fēng)機進入市場，極具應(yīng)用前景。智能風(fēng)機對風(fēng)場的智能感知和預(yù)測能力提出了新的要求，測風(fēng)激光雷達(dá)也亟需提高多應(yīng)用場景的智能集成能力。

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作者簡介：樊振興（1985—），男，本科，工程師，研究方向為光電及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。

張云飛（1987—），男，博士，助理工程師，研究方向為激光雷達(dá)。

程更建（1984—），男，本科，高級工程師，研究方向為測控技術(shù)。

楊宏偉（1989—），男，本科，助理工程師，研究方向為風(fēng)電運維。

收稿日期：2023-11-09 修回日期：2023-12-07