地基式測風激光雷達在風電測試中的性能研究

李曉懂，金華斌，錢 赫，潘 特，葉積煒，王 瀟

(浙江運達風電股份有限公司，浙江省風力發電技術重點實驗室，杭州 310012)

0 引言

風能作為一種可再生清潔能源越來越受到重視，并得到了高速發展。風電機組是將風能轉化為電能的設備，其輸出功率越高，發電量越大。測量風電機組的功率曲線和功率系數需要測量來流的風速、風向等信息，而風速、風向測量的精度將直接影響風電機組功率曲線和功率系數測量的準確性。因此，測試風電機組功率特性時，需要采用較為準確的方式來測量風速、風向。在風電資源開發中，也需要對風電場內的水平風速、風向、湍流強度、風切變指數等氣象參數進行測量，以便評估風電場的風能資源和進行風電場的合理規劃。

傳統測量風速、風向等氣象參數的方式為豎立測風塔并安裝有風速計和風向傳感器，但這一方式的測量高度一般低于120 m，不可重復移動使用，并且在復雜地形情況下存在安裝困難、成本高等不利因素。地基式測風激光雷達安裝方便，測量高度在40～300 m 的范圍，且通?？蓽y量10 個高度層。因此，在進行風電機組功率特性測試和風資源評估時，地基式測風激光雷達是較好的選擇。

當前地基式測風激光雷達的技術已較為成熟。文獻[1]給出了地基式測風激光雷達數據校準的方法；文獻[2-3]介紹了地基式測風激光雷達的相關技術參數、測量原理和安裝使用指導等內容；文獻[4-5]則給出了風電場湍流強度、風切變等氣象參數的評價方式。但此前的研究對地基式測風激光雷達在測量方面準確度的探究較少。本文闡述了地基式測風激光雷達在風電領域實際應用中的優越性，根據IEC 61400-12-1:2017標準，研究并驗證了地基式測風激光雷達在測量水平風速、風向、湍流強度、風切變等氣象參數方面的測量精度。

1 地基式測風激光雷達的測量原理

地基式測風激光雷達通常是以波長為1～2 μm的不可見激光為載體，向大氣發射脈沖激光束，經大氣中的氣溶膠粒子向后散射的激光攜帶氣溶膠粒子的運動信息，雷達采集散射回來的激光然后進行一定的算法處理后，得出氣溶膠粒子的運動速度，通過測量一定錐角體積內的多點處氣溶膠粒子的運動信息，進而反演出實際風速、風向信息。

地基式測風激光雷達的測量高度是通過發射出的脈沖激光束，在大氣中經氣溶膠粒子散射回來的運行時間來確定激光束的行程，進而得出被測氣溶膠粒子所處的高度。通常地基式測風激光雷達在高度測量方面會存在一定誤差，但風電領域一般要求不高。

地基式測風激光雷達一般采用4 束正交對稱的激光束對一定高度層的氣溶膠粒子采樣，然后計算出4 點位置處的風速，進而采用矢量風場反演法得出錐體內的風速信息，即為當前風速和風向。

地基式測風激光雷達的測量原理如圖1 所示。圖中，u、v、w為適量風速坐標系，E、S、W、N 代表東、南、西、北方向的激光束，安裝方位應與地理方位相符。

圖1 地基式測風激光雷達的測量原理圖Fig.1 Principle of ground-based wind lidar

2 研究方案

傳統測風塔的測風技術已經相對成熟，測量結果也受到廣泛認可。將地基式測風激光雷達的實測數據與測風塔上杯式風速計的實測數據進行對比時發現，相對于測風塔的風速測量結果，地基式測風激光雷達的風速測量結果表現出一定程度的離散性。引起這種離散性的原因在于地基式測風激光雷達受到了各種環境因素，如溫度、氣壓、風切變、湍流等的影響。研究地基式測風激光雷達測量精度的目的就是為了識別和量化在某一高度下一定風速范圍內地基式測風激光雷達的實測數據和測風塔實測數據的相關性，進而評價地基式測風激光雷達的測量精度。

2.1 測試儀器

本次研究中，測試時使用的風速傳感器(WS)、風向傳感器(WD)、溫度傳感器(Temp)、氣壓傳感器(Baro)的型號及技術參數如表1所示。

表1 測試設備的型號及技術參數Table 1 Model and technical specifications of test equipment

2.2 安裝調試

本次測試位置的地形為非平坦地形，地形稍有起伏但并不十分明顯。測試中，需要對多個高度層的風速及風向進行測量；并且地基式測風激光雷達應安裝在盡可能靠近測風塔的位置，但不允許測風塔對地基式測風激光雷達的測量區域產生干擾。二者的具體安裝布置如圖2 所示。

測試數據的收集按照IEC 61400-12-1:2017 標準，收集水平風速、風向等數據的10 min 平均值，且地基式測風激光雷達和測風塔的數據采集時間是同步的。

圖2 地基式測風激光雷達與測風塔的安裝布置圖Fig.2 Installation and arrangement of ground-based wind lidar and wind tower

3 結果分析

根據采集到的水平風速、風向等數據的10 min 平均值，可統計出測風塔和地基式測風激光雷達的有效數據量，具體如表2 所示。然后利用時間同步進行篩選后，將剩余的6493 個有效數據用于本次研究的結果分析。

表2 數據量統計Table 2 Statistics of data volume

從表2 中還可以看出，地基式測風激光雷達的數據有效率明顯低于測風塔的，這也就造成在實際應用中，為了達到一定的測試數據量，地基式測風激光雷達需要花費更多的測試時間。

3.1 水平風速的測量精度

地基式測風激光雷達的水平風速數據相對于測風塔的水平風速數據的偏差定義為地基式測風激光雷達水平風速數據減去測風塔水平風速數據后再除以測風塔水平風速數據的百分比。具體計算式為：

式中，RSDErr為地基式測風激光雷達水平風速相對于測風塔水平風速的偏差百分比；VRSD為地基式測風激光雷達的水平風速10 min 平均值；Vref為測風塔的水平風速10 min 平均值。

根據實測數據對水平風速做區間擬合[6]，結果如圖3 所示。

圖3 水平風速測量精度Fig.3 Horizontal wind speed measurement accuracy

從圖3 可以看出，在4～16 m/s 的風速范圍內，地基式測風激光雷達的水平風速和測風塔的水平風速的相關性極好。其中，散點擬合k=0.99884、R2=0.93495；區間平均值擬合k=0.98732、R2=0.99842。在4～16 m/s 的風速范圍內，地基式測風激光雷達水平風速相對于測風塔水平風速的平均偏差為-4.1%～10.5%；其中，8 m/s 以下風速段偏差較高，8 m/s 以上風速段偏差較低，15 m/s 風速后出現負向偏差。總的來說，地基式測風激光雷達水平風速和測風塔水平風速的相關性極好，但平均偏差水平較大。

3.2 風向的測量精度

地基式測風激光雷達的風向數據相對于測風塔的風向數據的偏差定義為地基式測風激光雷達風向數據減去測風塔風向數據后再除以測風塔風向數據。具體計算式為：

式中，RDDErr為地基式測風激光雷達風向相對于測風塔風向的偏差；DRSD為地基式測風激光雷達的風向10 min 平均值；Dref為測風塔的風向10 min 平均值。

根據實測數據對風向做區間擬合[6]，結果如圖4 所示。

圖4 風向測量精度Fig.4 Wind direction measurement accuracy

從圖4 可以看出，在0°～360°的風向區間內，地基式測風激光雷達的風向和測風塔的風向的相關性極好。其中，散點擬合k=0.97968、R2=0.98568；區間平均值擬合k=0.99392、R2=0.99833。在0°～360°的風向區間內，地基式測風激光雷達風向相對于測風塔風向的平均偏差為-10.0°～9.2°，并且變化呈現周期性波動。總體而言，地基式測風激光雷達風向和測風塔風向的相關性極好，但平均偏差水平較大。

3.3 風切變的測量精度

此處風切變是僅指風速在垂直距離上的變化，在風資源評估中，風切變指數是一項重要測量參數。風切變指數的計算式為：

式中，Vz為高度Z處的風速；V0為高度Z0處的風速；α為風切變指數。

根據實測數據，對不同高度層的風速的10 min 平均值進行風廓線擬合[6]，結果如圖5所示。

圖5 測得的風切變指數與風廓線Fig.5 Measured wind shear index and wind profile

圖5 的擬合結果表明，測風塔測得的風切變指數為0.19464，而地基式測風激光雷達測得的風切變指數為0.21338；且測風塔測得的風廓線和地基式測風激光雷達測得的風廓線存在靜態偏差0.3 m/s，地基式測風激光雷達的平均風速偏高。二者測得的風切變指數相差0.01874 在可接受范圍內，但靜態偏差0.3 m/s 對于評估風電場年平均風速來說，存在較大誤差。

3.4 湍流強度的測量精度

根據IEC 61400-1:2005 標準，10 min 湍流強度值定義為風速的10 min 標準差與風速的10 min 平均值之比。具體計算式為：

式中，IT為10 min 湍流強度值；σ為風速的10 min 標準差；V為風速的10 min 平均值。

湍流強度與風速的關系是風電場評估的重要參數。某一風速區間的湍流強度可由下式計算：

式中，Is為風速區間的名義湍流強度；I為風速區間內湍流強度的平均值；σ1為風速區間內湍流強度的標準差。

根據實測數據應用區間法，繪制出湍流強度與水平風速的關系圖，并繪制了IEC 61400-1:2005 標準中A 級高湍流強度、B 級中等湍流強度、C 級低湍流強度的判定曲線以作參考，結果如圖6 所示。

由圖6 可知，測風塔測得的湍流強度較低于IEC61400-1:2005 標準中規定的C 級低湍流強度曲線，表明該測試地點的湍流強度屬于低湍流強度區；但地基式測風激光雷達測得的湍流強度則明顯高于測風塔的測量結果，在實際測試中很有可能造成對風電場湍流強度的錯誤評估。地基式測風激光雷達測得的湍流強度明顯較高的原因要歸結于其所測的湍流強度并不是測風塔所測的單點處風速的標準差，而是4 個測點處的綜合風速標準差。

圖6 湍流強度測量結果對比Fig.6 Comparison of turbulence intensity measurement results

4 結論

本文從地基式測風激光雷達在風電領域的應用角度出發，對比分析了傳統測風塔和地基式測風激光雷達的實測數據，研究了地基式測風激光雷達應用的優、劣勢和對氣象參數測量的精度，研究結果如下：

1)地基式測風激光雷達在安裝、重復使用和多個高度層測量方面具有較好的優勢，但其長期測量數據的有效率明顯低于傳統測風塔的數據有效率。

2)地基式測風激光雷達的水平風速、風向測量精度較好；地基式測風激光雷達的數據和傳統測風塔的數據的相關性極好，但在風速平均偏差和風向平均偏差方面相差較大，這在風資源評估中的影響較小，但在功率曲線測試中的影響較大。

3)在風切變指數測量精度方面，地基式測風激光雷達和傳統測風塔的結果相當，測量精度較好，但風廓線測量可能會存在明顯差異，這種情況在風資源評估中是不可接受的。因此在地基式測風激光雷達性能指標中，建議增加針對風切變指數和風廓線測量的要求，以有利于風資源評估的準確性。

4)由于地基式測風激光雷達所采用的測量技術不同，造成了其在湍流強度測量方面與傳統測風塔測得的湍流強度存在較大差異，極有可能造成湍流強度水平的誤判。因此在風資源評估中，使用地基式測風激光雷達測量的湍流強度需要謹慎處理。