袁紅亮，陳 彬，劉 瑋，宋俊博，王 炎

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

風(fēng)能資源測(cè)量是風(fēng)電開(kāi)發(fā)過(guò)程中最重要的工作內(nèi)容之一，主要包括風(fēng)速和風(fēng)向等氣象要素的觀測(cè)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)能資源測(cè)量手段也在不斷更新。機(jī)械式測(cè)風(fēng)設(shè)備與塔體構(gòu)成的測(cè)風(fēng)系統(tǒng)是通用、標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法，但是建設(shè)周期長(zhǎng)、單點(diǎn)測(cè)量、拆除難度大、不能重復(fù)利用；微波雷達(dá)、多普勒聲波雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)對(duì)大氣環(huán)境要求高[1-3]。激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)作為近幾年發(fā)展應(yīng)用較快的新型測(cè)風(fēng)技術(shù)，因其具有分辨率高、設(shè)備靈巧、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能快速投入觀測(cè)、可測(cè)量高度高、適合多點(diǎn)同期觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)電開(kāi)發(fā)中有重要的應(yīng)用價(jià)值[4-5]。

常用的激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)有國(guó)外Windcube、Galion和國(guó)內(nèi)WindPrint、Molas等。其中，Windcube系統(tǒng)是由法國(guó)Leosphere公司研制的一套專(zhuān)業(yè)激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)量原理主要分為掃描式激光雷達(dá)(Windcube 100S/200S/400S)和垂直式激光雷達(dá)(Windcube V2)。掃描式激光雷達(dá)可以測(cè)量多個(gè)距離、任意方位目標(biāo)點(diǎn)的徑向風(fēng)速，垂直式激光雷達(dá)可以自定義12個(gè)垂向測(cè)量高度，實(shí)現(xiàn)不同高度同一秒內(nèi)的同步測(cè)量[6]，該套系統(tǒng)已在全球多個(gè)風(fēng)電工程中得到應(yīng)用。

激光雷達(dá)作為一種新型的風(fēng)能資源測(cè)量技術(shù)，在用于風(fēng)電工程測(cè)風(fēng)之前，應(yīng)先與機(jī)械式測(cè)風(fēng)設(shè)備進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)[7]，驗(yàn)證其可靠性，以確定其在該地區(qū)的適用性。本文以中國(guó)西北地區(qū)某大型風(fēng)電基地中風(fēng)功率預(yù)測(cè)塔作為實(shí)驗(yàn)，分別采用一臺(tái)Windcube 200S和一臺(tái)Windcube V2激光雷達(dá)與實(shí)驗(yàn)風(fēng)功率預(yù)測(cè)塔開(kāi)展同期對(duì)比測(cè)風(fēng)工作，總結(jié)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為激光雷達(dá)在我國(guó)“三北”平坦地形風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用提供工程實(shí)例。

1 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)原理

1.1 Windcube 200S激光雷達(dá)原理

Windcube 200S采用 “外差法的多普勒頻移激光探測(cè)和測(cè)距”技術(shù)。測(cè)量基本原理為：激光雷達(dá)將激光脈沖發(fā)射到大氣中，脈沖激光波在大氣傳播的過(guò)程中，部分信號(hào)遇到空氣中的微粒發(fā)生反向散射并引發(fā)信號(hào)的頻移(被稱為多普勒頻移)，正比于粒子的徑向風(fēng)速。激光雷達(dá)接受反向散射信號(hào)，根據(jù)多普勒頻移與空氣微粒徑向風(fēng)速的關(guān)系計(jì)算出徑向風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的測(cè)量。然后，將徑向風(fēng)速通過(guò)矢量分解為水平風(fēng)速，再通過(guò)算數(shù)平均獲得10 min或者1 h級(jí)的水平平均風(fēng)速。

圖1 Windcube 200S激光雷達(dá)測(cè)量原理

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

1.2 Windcube V2激光雷達(dá)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(guò)捕捉反射波，經(jīng)外差檢驗(yàn)法獲得頻移，由頻移計(jì)算得到4個(gè)徑向風(fēng)速(多普勒頻移1.3 MHz對(duì)應(yīng)1 m/s的風(fēng)速)，再進(jìn)一步計(jì)算出各個(gè)高度的秒級(jí)水平風(fēng)速。獲得秒級(jí)數(shù)據(jù)后，通過(guò)矢量分解和算數(shù)平均計(jì)算得到10 min或者1 h級(jí)的水平風(fēng)速。

圖2 Windcube V2激光雷達(dá)測(cè)量原理

2 激光雷達(dá)測(cè)試方案

本文選擇西北某大型風(fēng)電基地中最靠近下風(fēng)向的風(fēng)電場(chǎng)作為激光雷達(dá)觀測(cè)驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)，區(qū)域主風(fēng)向?yàn)闁|(E)風(fēng)，激光雷達(dá)的主要選址原則包括：

(1) 雷達(dá)掃描范圍近端應(yīng)避免受到風(fēng)電機(jī)組的遮擋，因此雷達(dá)放置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離風(fēng)電機(jī)組。

(2) 掃描式激光雷達(dá)在運(yùn)行中耗電較多，僅通過(guò)太陽(yáng)能電池板無(wú)法提供足夠電能，需要采用外接電源。因此雷達(dá)應(yīng)盡量靠近風(fēng)電機(jī)組，以便從風(fēng)電機(jī)組接入電源。

(3) 雷達(dá)選址應(yīng)考慮防洪問(wèn)題，站址及電源路徑均應(yīng)避開(kāi)沖溝。

按照上述原則，Windcube 200S激光雷達(dá)的選址于實(shí)驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)最東側(cè)一排中間2臺(tái)風(fēng)機(jī)的正中偏東位置，與風(fēng)機(jī)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(duì)位置及掃描區(qū)域范圍示意見(jiàn)圖3，垂直測(cè)量范圍示意見(jiàn)圖4。

圖3 Windcube 200S激光雷達(dá)站址及掃描范圍

圖4 Windcube 200S垂直測(cè)量范圍

為了使兩款激光雷達(dá)進(jìn)行同步對(duì)比觀測(cè)，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(cè)量高度范圍為50～210 m，共12個(gè)測(cè)量高度層。

3 激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)的可靠性驗(yàn)證

本文利用實(shí)驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)5026號(hào)風(fēng)功率預(yù)測(cè)塔與Windcube 200S和Windcube V2的同期觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

Windcube 200S和Windcube V2設(shè)備均位于5026號(hào)塔東北方向約2.3 km，相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖5。Windcube 200S是掃描式測(cè)量風(fēng)速，采用其在5026號(hào)塔周邊最近的4個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)與5026號(hào)塔測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性和差值對(duì)比分析；Windcube V2是垂向測(cè)量風(fēng)速，采用其測(cè)量數(shù)據(jù)與5026號(hào)塔同高度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性和差值對(duì)比分析。

圖5 測(cè)風(fēng)塔與激光雷達(dá)相對(duì)位置

3.1 兩款激光雷達(dá)風(fēng)速對(duì)比分析

本文選取兩款激光雷達(dá)5月11日至5月12日2d同期測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證。Windcube 200S與Windcube V2同期風(fēng)速對(duì)比觀測(cè)結(jié)果分析見(jiàn)表1和圖6,可以看出Windcube 200S與Windcube V2激光雷達(dá)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(dá)設(shè)備所測(cè)風(fēng)速差最大值僅0.08 m/s，差值很小。說(shuō)明兩款設(shè)備風(fēng)速測(cè)量結(jié)果一致性很高。

圖6 Windcube 200S與Windcube V2各高度同期風(fēng)速對(duì)比

表1 Windcube 200S(X)與Windcube V2(Y)風(fēng)速同期對(duì)比觀測(cè)結(jié)果分析表

3.2 Windcube 200S激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)驗(yàn)證

本文對(duì)Windcube 200S在5026號(hào)測(cè)風(fēng)塔附近的4個(gè)測(cè)點(diǎn)逐10 min風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為cft1、cft2、cft3和cft4，同期觀測(cè)數(shù)據(jù)為8-18 0時(shí)—10-1 2時(shí)。激光雷達(dá)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5。

(1) 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)4個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)同期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：各測(cè)點(diǎn)間風(fēng)速差在0.02～0.11 m/s。其中上風(fēng)向cft1與cft2風(fēng)速較為接近，下風(fēng)向cft3與cft4風(fēng)速相差較大，可能與測(cè)風(fēng)塔塔影影響有關(guān)，或者與雷達(dá)設(shè)備自身誤差有關(guān)。另外，各測(cè)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)均在0.985及以上，相關(guān)性非常好。各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，相關(guān)性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表2 各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表

表3 各測(cè)風(fēng)點(diǎn)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)表

(2) 各測(cè)點(diǎn)與5026號(hào)塔相關(guān)性分析

對(duì)各測(cè)點(diǎn)分別與5026號(hào)塔同高度的同期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：各測(cè)點(diǎn)與5026號(hào)塔同期風(fēng)速誤差絕對(duì)值在0.016～0.087，誤差百分?jǐn)?shù)絕對(duì)值在0.27%～1.53%，ctf4測(cè)量結(jié)果相對(duì)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(cè)點(diǎn)與5026號(hào)塔風(fēng)速比較統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4，相關(guān)性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表4 各測(cè)點(diǎn)與5026號(hào)塔風(fēng)速比較表

表5 各測(cè)風(fēng)點(diǎn)與5026號(hào)塔相關(guān)性統(tǒng)計(jì)表

3.3 Windcube V2激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)驗(yàn)證

根據(jù)收集到的8-18 0時(shí)—10-14 23時(shí)同期逐小時(shí)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：Windcube V2與5026號(hào)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(fēng)速實(shí)測(cè)誤差百分?jǐn)?shù)超過(guò)3%，Windcube V2風(fēng)速測(cè)量值偏大。Windcube V2與5026號(hào)塔50、70 m高度同期風(fēng)速及相關(guān)性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。

表6 5026號(hào)(x)與Windcube V2(y)各高度相關(guān)性及同期風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表

3.4 激光雷達(dá)風(fēng)向?qū)Ρ闰?yàn)證

根據(jù)收集到的5026號(hào)測(cè)風(fēng)塔與Windcube 200S和Windcube V2激光雷達(dá)2008年5月11日0時(shí)至2009年3月31日23時(shí)同期70 m高度逐10 min風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：Windcube 200S和Windcube V2兩款激光雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)向與5026號(hào)塔風(fēng)向一致性很高，均以東(E)風(fēng)、西(W)風(fēng)為主風(fēng)向，其余各扇區(qū)風(fēng)向頻率也非常接近。

圖7 測(cè)風(fēng)塔與Windcube 200S、Windcube V2同期風(fēng)向?qū)Ρ?/p>

3.5 激光雷達(dá)風(fēng)廓線對(duì)比驗(yàn)證

根據(jù)收集到的5026號(hào)測(cè)風(fēng)塔與Windcube 200S和Windcube V2激光雷達(dá)2008年5月11日0時(shí)至2009年3月31日23時(shí)同期各高度逐10 min風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：Windcube 200S和Windcube V2兩款激光雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)廓線與5026號(hào)塔風(fēng)廓線變化趨勢(shì)一致，風(fēng)切變指數(shù)也非常接近。

圖8 測(cè)風(fēng)塔與Windcube 200S、Windcube V2同期風(fēng)廓線對(duì)比

4 結(jié) 論

本文以我國(guó)西北地區(qū)某大型風(fēng)電基地中的運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)作為實(shí)驗(yàn)，將風(fēng)功率預(yù)測(cè)塔與兩款激光雷達(dá)的測(cè)風(fēng)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)的可靠性，得出以下結(jié)論：

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

(2) Windcube 200S與風(fēng)功率預(yù)測(cè)塔的風(fēng)速相關(guān)性在0.970及以上，風(fēng)速誤差百分?jǐn)?shù)絕對(duì)值最大為1.53%。證明Windcube 200S的測(cè)量結(jié)果可靠。

(3) Windcube V2與風(fēng)功率預(yù)測(cè)塔的風(fēng)速相關(guān)性在0.971及以上，風(fēng)速誤差百分?jǐn)?shù)超過(guò)3%，證明Windcube V2的測(cè)量數(shù)據(jù)稍微偏大。

(4) Windcube 200S和Windcube V2與風(fēng)功率預(yù)測(cè)塔的風(fēng)向一致，風(fēng)廓線變化趨勢(shì)一致。

通過(guò)對(duì)比分析可知，Windcube 200S、Windcube V2兩款激光雷達(dá)與風(fēng)功率預(yù)測(cè)塔風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量成果具有很高的相關(guān)性和一致性，測(cè)量結(jié)果總體可靠，可以為同類(lèi)型地區(qū)的激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)工作提供工程借鑒。