張萬秋， 劉寶良， 冷雪敏， 許傲然， 鐘丹田， 谷彩連

（沈陽工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110136）

引言

面對風(fēng)電長期以來跨越式發(fā)展、粗放式發(fā)展、風(fēng)電場效率和效益有待提升、風(fēng)電行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程相對緩慢的技術(shù)現(xiàn)狀，未來的發(fā)展趨勢逐步向轉(zhuǎn)型升級，優(yōu)化提升、提升風(fēng)電行業(yè)精益管理和精細化生產(chǎn)能力、提高風(fēng)力發(fā)電機組的生產(chǎn)力和智慧化水平、促進新能源系統(tǒng)本質(zhì)安全、提質(zhì)增效和可持續(xù)發(fā)展靠攏。我國目前隨著風(fēng)電近年來的風(fēng)速發(fā)展，有限的優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源可開發(fā)地區(qū)受限，行業(yè)被迫向中東部、南部和沿海地區(qū)挺進，而這些地區(qū)的風(fēng)資源多是1～3 級，總體較差且較為分散。成風(fēng)條件易受微地形影響，風(fēng)況復(fù)雜。在中東部、南部地區(qū)低風(fēng)速、超低風(fēng)速以及分散式發(fā)電已成為當前風(fēng)電開發(fā)的主流環(huán)境。同時超過100 m 塔筒高度已經(jīng)是行業(yè)普遍現(xiàn)象，對應(yīng)的測風(fēng)塔的部署成為難題。當前主要的測風(fēng)設(shè)備測風(fēng)塔不僅受到地理位置的影響，例如：在復(fù)雜山地、農(nóng)田、居民點、雨霧多發(fā)公益林、保護區(qū)等地?zé)o法安裝測風(fēng)塔。同時測風(fēng)塔還會出現(xiàn)倒塔、裹冰等極端情況，這對精細化測風(fēng)十分不利。而精細化測風(fēng)聲雷達是軍民融合技術(shù)產(chǎn)品，滿足一系列行業(yè)應(yīng)用技術(shù)標準和規(guī)范要求。

本文提出了聲雷達設(shè)備在風(fēng)電領(lǐng)域精細化測風(fēng)應(yīng)用場景，基于吉林某地區(qū)實際數(shù)據(jù)，在精細化測風(fēng)方面對比聲雷達與其他不同設(shè)備性能差異，開展聲雷達在對精細化測風(fēng)領(lǐng)域價值分析[1]。

1 精細化測風(fēng)需求分析

如圖1 所示，測風(fēng)得需求并不是獨立存在而是貫穿于風(fēng)電項目建設(shè)和運行的整個生命周期。

測風(fēng)能力和水平直接影響風(fēng)電場效益和效率，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

1）風(fēng)電場效率和效益的各種電量的指標依賴風(fēng)資源和風(fēng)況的準確評估。

2）風(fēng)機自身的風(fēng)速儀由于受到葉片的擾流影響不能準確代表該機組的真實迎面風(fēng)速。

3）在風(fēng)場的各項效益評估環(huán)節(jié)，更能代表風(fēng)電場風(fēng)況的測風(fēng)設(shè)備的作用就顯得尤為重要。

除此之外對于風(fēng)電場運行期多種優(yōu)化運行方案也需要精細化測風(fēng)數(shù)據(jù)的支撐，而目前廣泛使用的測風(fēng)塔其固有安全隱患、可靠性、運維困難、精細化測風(fēng)數(shù)據(jù)丟失、綜合成本高以及適應(yīng)性差等缺點，已經(jīng)不能滿足當前行業(yè)發(fā)展和精細化風(fēng)能監(jiān)測的要求，風(fēng)電領(lǐng)域呼喚新一代精細化智能測風(fēng)技術(shù)的出現(xiàn)[2-4]。

2 聲雷達測試、驗證和對比分析

精細化測風(fēng)聲雷達已成為提高風(fēng)資源轉(zhuǎn)化率和利用率的有效保障，相比于測風(fēng)塔，精細化測風(fēng)聲雷達功能更強、成本更低、精度更高、部署受地理因素限制較小、適應(yīng)性更廣。

測風(fēng)數(shù)據(jù)取自位于吉林某風(fēng)場，現(xiàn)場利用測風(fēng)塔作為本次實驗的對比參考測風(fēng)塔。依據(jù)相關(guān)標準要求，測風(fēng)塔不能離聲雷達距離過近，避免兩者之間產(chǎn)生互相影響。

本次對比測試主要通過將聲雷達和測風(fēng)塔兩設(shè)備在不同高度層的測試數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果如下頁表1。

表1 各探測高度風(fēng)速、風(fēng)向探測精度

由此可得出兩種設(shè)備相關(guān)性的結(jié)論：得到各高度層的實測風(fēng)速相關(guān)均方根誤差在0.4 左右，實測風(fēng)向相關(guān)均方根誤差在2.3 左右，由此可見，在風(fēng)速測量數(shù)值方面，均方根誤差接近于0，在風(fēng)向測量數(shù)值方面，均方根誤差較風(fēng)速方面稍大，說明在精準度上稍有不足，但是聲雷達和普通測風(fēng)塔的相關(guān)系數(shù)均在r2在0.999 632～0.999 746 之間，兩者呈現(xiàn)高度相關(guān)特性，即說明聲雷達可以完美代替測風(fēng)塔進行現(xiàn)場測風(fēng)工作，在風(fēng)電領(lǐng)域投入聲雷達的想法是可行的，符合精細化測風(fēng)的要求。

2.2 聲雷達與普通測風(fēng)塔惡劣工況下性能對比測試

對比分析測風(fēng)塔以及聲雷達性能差異，設(shè)置對比試驗如下：實驗地點為湖南桂東寒口風(fēng)電場，實驗時間為2016 年1 月至3 月。

場景1：裹冰。

采樣時間段為2016 年1 月—2016 年3 月，共91 天?？倶颖緮?shù)131 040，經(jīng)歷2 次極凍天氣，普通測風(fēng)塔和聲雷達的采集數(shù)據(jù)對比，如圖2 所示。

場景2：未裹冰。

可見在惡劣天氣下即使未出現(xiàn)裹冰現(xiàn)象，普通測風(fēng)塔出現(xiàn)傳感器故障或者通信故障，如圖3 所示。

2.3 本系列聲雷達與其他型號雷達惡劣工況下性能對比測試

設(shè)置對比試驗如下：試驗地點為內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟阿巴嘎旗；試驗時間為2017 年12 月—-2018 年3 月；工作溫度：-40～-15 ℃；試驗環(huán)境為低溫、雪、大風(fēng)。

相比于某進口聲雷達以及某激光雷達，本系列聲雷達在一體化防護結(jié)構(gòu)保護下，聲換能器工作正常，數(shù)據(jù)可靠，數(shù)據(jù)完整率100%；進口聲雷達則出現(xiàn)了聲換能器發(fā)聲孔被冰雪覆蓋、無法獲得有效的回波信號、數(shù)據(jù)異常等情況；某激光雷達則是出現(xiàn)了雨刮凍住不能啟動清掃功能；激光發(fā)射窗口被雪覆蓋、需要人工清理積雪、數(shù)據(jù)異常問題。

通過上述實驗，聲雷達相較于測風(fēng)塔以及其他雷達設(shè)備，其工作適應(yīng)性更廣、對于風(fēng)場常見的極端惡劣天氣具備較強的適應(yīng)性。

3 聲雷達典型應(yīng)用場景價值分析

聲雷達應(yīng)用場景廣泛，如運行期風(fēng)電場風(fēng)資源校核、雷達應(yīng)用有效提升風(fēng)能利用水平、風(fēng)資源測量與評估、宏觀選址以及精細化測風(fēng)觀測數(shù)據(jù)可以提升風(fēng)能預(yù)報/功率預(yù)測精度、精細化測風(fēng)在后評估和考核基準中的作用、功率曲線優(yōu)化、校核、評估等需要精細化測風(fēng)數(shù)據(jù)支撐、精細化測風(fēng)在設(shè)計后評估、精細化測風(fēng)數(shù)據(jù)在運行指標評估等等。本文重點分析聲雷達在精細化測風(fēng)觀測數(shù)據(jù)精度方面開展價值分析

針對于當前風(fēng)資源監(jiān)測數(shù)據(jù)存在大量缺數(shù)、死數(shù)、重數(shù)、錯數(shù)等現(xiàn)象如圖4—圖7 所示所示；引入實測風(fēng)速的同化技術(shù)可提高資源預(yù)報精度、進而提高功率預(yù)測精度；無效的實測風(fēng)資源數(shù)據(jù)對風(fēng)能的高精度預(yù)報帶來負面影響。

不同觀測點風(fēng)速的同化后結(jié)果如圖7 所示。

不同觀測點風(fēng)速的同化后結(jié)果如圖8 所示，不同觀測點風(fēng)速探測精度同化前后對比如表2 所示。

表2 不同觀測點風(fēng)速精度同化前后對比

通過對比兩個不同觀測站點可以可能出正確的數(shù)據(jù)同化可有效提高風(fēng)速預(yù)報精度，而錯誤的數(shù)據(jù)則會導(dǎo)致精度不升反降，側(cè)面反映了精確的風(fēng)電功率預(yù)測的必要性。

4 結(jié)論

精確的風(fēng)電功率預(yù)測能夠為電網(wǎng)調(diào)度和穩(wěn)定運行提供理論參考，有助于促進風(fēng)能的消納，基于聲雷達精細化測風(fēng)的風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃的效果與意義日益凸顯。本文以吉林某風(fēng)電場的實際風(fēng)場為例，對比分析主要通過將聲雷達和測風(fēng)塔兩設(shè)備在不同高度層的測試數(shù)據(jù)，通過聲雷達測量的風(fēng)能數(shù)據(jù)在功率預(yù)測方面要較好于測風(fēng)塔的風(fēng)能數(shù)據(jù)，聲雷達的測風(fēng)數(shù)據(jù)更加的精準，更加的切合實際，更加符合精細化測風(fēng)的要求，且通過極端試驗，可以看出本系列精細化測風(fēng)聲雷達對于極端天氣適應(yīng)性更強。精細化測風(fēng)聲雷達可以風(fēng)場的精細化測風(fēng)能力逐步得到加強，能夠更好地掌握了當?shù)仫L(fēng)況的變化情況，同時為風(fēng)電場測風(fēng)設(shè)備改進和風(fēng)機的準確架設(shè)位置和數(shù)量提供參考，為風(fēng)能發(fā)電的規(guī)劃發(fā)展提供了更大的幫助。