短波頻段內(nèi)風(fēng)電場對無線臺站的信號干擾研究

焦思東

(國網(wǎng)山西省電力公司長治市供電公司, 山西 長治 046011)

0　引　言

短波頻段的無線電臺在軍事、民用領(lǐng)域均起著重要的作用，其工作頻率范圍為3～30 MHz。風(fēng)能作為我國能源戰(zhàn)略的基礎(chǔ)，同時也是可再生能源的重要組成部分，其開發(fā)和利用越來越受到國家的重視[1]。隨著風(fēng)電場建設(shè)項目規(guī)模的擴大和數(shù)量的增多，具有旋轉(zhuǎn)葉片的大尺寸特征的風(fēng)電機對雷達(dá)信號的干擾問題也越顯突出。

現(xiàn)有風(fēng)電機對無線系統(tǒng)的干擾研究集中于對雷達(dá)的影響，所用頻段集中于特高頻段及以上頻段(0.3～30 GHz)，尚無針對短波頻段(3～30 MHz)無線臺站信號干擾的研究。如文獻[2]采用圓柱體對風(fēng)電機葉片及塔架進行了建模，對L波段(1 452～1 492 MHz)下的風(fēng)電機RCS進行了計算。文獻[3]計算了3 GHz下風(fēng)電機完整旋轉(zhuǎn)周期下的RCS值。文獻[4]建立了風(fēng)電機面模型，研究頻段為C波段(3.7～4.2 GHz)。文獻[5]針對實際中所使用的雷達(dá)1.5 GHz與3.6 GHz計算了風(fēng)電機的RCS。

目前尚沒有針對風(fēng)電機對短波頻段無線臺站的干擾的研究。本文確定以風(fēng)電機散射電場作為干擾的評估參量，針對短波的工作頻段3～30 MHz，建立5基風(fēng)電機風(fēng)電場面模型，并且采用計算精度較高的矩量法對風(fēng)電機的電磁散射場進行求解，為后續(xù)風(fēng)電機對無線臺站信號干擾的研究奠定了基礎(chǔ)。

1　風(fēng)電場散射場計算原理

風(fēng)電場對無線臺站的干擾原理如圖1所示。當(dāng)無線臺站信號經(jīng)過風(fēng)電場時，風(fēng)電場對無線臺站信號而言可視為一種強散射體，特別是隨著風(fēng)電機單機容量的大幅提升，風(fēng)電機尺寸也越來越大，加之風(fēng)電機所形成的風(fēng)電機陣列即風(fēng)電場，導(dǎo)致風(fēng)電場對雷達(dá)的干擾日益突出。

圖1　風(fēng)電場對無線臺站信號干擾示意圖

目前尚無風(fēng)電場對無線臺站的干擾評估參量，因此，將計算的風(fēng)電場散射電場值作為干擾的評估參量。

2　風(fēng)電場對無線臺站信號干擾的計算

風(fēng)電場電磁散射數(shù)學(xué)模型如圖2所示，圖2中存在2個坐標(biāo)系，一個是直角坐標(biāo)系(x，y，z)，另一個是球坐標(biāo)系(r，，)。激勵入射電磁波為Ei，風(fēng)電場上任一點r'處，其感應(yīng)電流密度為J(r')，風(fēng)電場散射電場為Es。

圖2　風(fēng)電場對無線臺站信號干擾模型

圖2所示風(fēng)電場面模型的電場積分方程為：

(1)

式中，g(r,r')為格林函數(shù)；t為單位切向矢量。運用矩量法對公式進行求解。

矩量法中要選擇合適的基函數(shù)對模型進行離散，針對面模型采用RWG基函數(shù)對模型進行離散，代入風(fēng)電場積分方程，從而最終求解風(fēng)電場散射場。

3　風(fēng)電場對無線臺站信號干擾特性求解

3.1　風(fēng)電場線模型的建立

圖3為本文研究的風(fēng)電場對短波波段信號干擾的RCS計算模型。采用生產(chǎn)實際中的典型風(fēng)電場實例進行相應(yīng)建模，該實例中風(fēng)電場額定功率為2.5 MW，塔架高度為65 m，葉片半徑為42 m，機艙長度為10 m。

短波信號與風(fēng)電場之間電磁波的傳播路徑分為兩種，一種是直接傳播，另一種是大地作為媒介的間接傳播，因此在計算結(jié)果中需考慮大地的散射結(jié)果。

圖3　風(fēng)電機求解面模型

3.2　仿真計算結(jié)果

在實際中風(fēng)電機的偏航角是依據(jù)風(fēng)向而由偏航系統(tǒng)做出調(diào)整的。根據(jù)風(fēng)電場與無線臺站位置的實際情況，設(shè)置0°、30°、60°、90°四種不同方向的無線臺站位置，以模擬風(fēng)電機實際偏航角度，如圖4所示。同時，取(0,500,0)、(0,1 000,0)、(0,2 000,0)、(0,3 000,0)四個觀測點對風(fēng)電場電磁散射場進行觀測，其計算結(jié)果如圖5所示。

圖4　風(fēng)電場對無線臺站信號干擾計算模型

圖5　風(fēng)電場散射電場值

從圖5可以看出，在各偏航角度下，風(fēng)電場散射電場值會發(fā)生較大變化，偏航角度在0°時，結(jié)果的波動較大，并且隨著偏航角度0°～90°增大，波動頻率逐漸變緩。這從電磁散射的角度可以進行解釋，在不同的偏航角度下，激勵源與風(fēng)電場之間相對位置的變化導(dǎo)致了電磁散射情況的變化，從而使散射電場水平發(fā)生了變化。

表1　風(fēng)電場散射電場最大值　單位：V/m

表1為風(fēng)電場散射電場的最大值，結(jié)合圖5，可以直觀看出，隨著觀測點距風(fēng)電場的距離越遠(yuǎn)，散射電場最大值也在下降。圖5中觀測點為500 m時，各偏航角度下的電場值波動劇烈，并且波動間隔較短，但觀測點為3 000 m處時，其波動放緩，波動間隔變大，相比于500 m時，其電場最大值減小了0.24 V/m。

4　結(jié)　論

(1)本文針對不同距離觀測點處的干擾水平進行了計算，為后續(xù)風(fēng)電場干擾防護間距的求解提供了研究基礎(chǔ)。

(2)風(fēng)電場對無線臺站信號的干擾情況在不同偏航角下會發(fā)生較大變化。

(3)從當(dāng)前研究看，風(fēng)電場偏航角度變化對干擾水平的影響較復(fù)雜，其具體影響還需進一步討論研究。

參考文獻：

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