聲雷達在低層大氣風(fēng)能資源評估中的應(yīng)用

文 | 楊靖文，尚朋真，張佳麗，楊楠，鄭楊艷

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷進步，大容量、大葉輪和高塔筒已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展趨勢。然而隨著風(fēng)電機組塔筒的不斷提高，相應(yīng)的風(fēng)能資源評估對于高層風(fēng)能資源的測量工作提出了更高的要求。傳統(tǒng)測風(fēng)工具——測風(fēng)塔由于自身高度的局限性，逐漸難以滿足日益提高的測風(fēng)需求。

與傳統(tǒng)測風(fēng)塔相比，多普勒測風(fēng)聲雷達具有更大的觀測量程，能夠測得200米高度處的風(fēng)速、風(fēng)向和湍流強度等風(fēng)況數(shù)據(jù)。同時，由于聲雷達具有不受空氣質(zhì)量影響、精度高、安裝方便、可重復(fù)利用等優(yōu)勢，可配合測風(fēng)塔進行測風(fēng)工作。這對快速判別場址資源條件、降低測風(fēng)成本、及時安排調(diào)整開發(fā)計劃具有十分重要的意義。

本文以山東某風(fēng)電項目為例，對多普勒AQ510聲雷達和附近測風(fēng)塔的同期數(shù)據(jù)及風(fēng)切變指數(shù)進行對比分析，在此基礎(chǔ)上根據(jù)聲雷達測得的風(fēng)切變指數(shù)和測風(fēng)塔風(fēng)速數(shù)據(jù)，使用三種方法推算出測風(fēng)塔以上高度的風(fēng)速，并進行驗證和對比，由此闡述了多普勒聲雷達在低層大氣風(fēng)能資源評估中的應(yīng)用。

項目概況

本文分析項目位于山東平原地區(qū)，場內(nèi)于2017年1月設(shè)立一座100米測風(fēng)塔，為評估100米以上高層風(fēng)能資源情況，于2017年5月至8月在場內(nèi)增設(shè)一座測風(fēng)聲雷達，對同期數(shù)據(jù)進行初步評估。測風(fēng)塔數(shù)據(jù)收集滿一年。

一、 測風(fēng)設(shè)備介紹

測風(fēng)塔設(shè)備采用美國NRG公司的傳感器及記錄儀，并經(jīng)過實驗室標(biāo)定，有詳細的標(biāo)定報告。風(fēng)速儀型號NRG#40，風(fēng)向標(biāo)型號NRG#200P，在8m處安裝#BP20氣壓傳感器和#110S溫度傳感器。其中風(fēng)速觀測采樣時間間隔為1s，并自動計算和記錄每10min的平均風(fēng)速和每10min的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差值；風(fēng)向觀測采樣時間間隔為2s，并自動計算和記錄每10min的風(fēng)向值、標(biāo)準(zhǔn)偏差。

測風(fēng)聲雷達為瑞典AQ510（圖1），是風(fēng)廓線雷達的風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用改進技術(shù)。它以多普勒頻移的信號反射系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并采用了最先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以精確測量40米至200米區(qū)間范圍內(nèi)33個不同觀測高度上的風(fēng)速、風(fēng)向和湍流強度等氣象要素。

二、項目測風(fēng)情況

圖1 AQ510聲雷達測風(fēng)系統(tǒng)示意圖

圖2 測風(fēng)塔和聲雷達位置信息圖

場內(nèi)測風(fēng)塔及雷達的相關(guān)信息如表1、圖2所示，測風(fēng)塔位于聲雷達西北偏西方向，水平距離為416米左右。測風(fēng)塔最大觀測高度為100m，而聲雷達最大觀測高度為200m，因此聲雷達可測得100m以上高層風(fēng)切變情況，有效彌補測風(fēng)塔在高層風(fēng)能資源觀測上的不足。

數(shù)據(jù)對比及分析

聲雷達和測風(fēng)塔具有3個月的同期時段數(shù)據(jù)，首先將兩者的同期數(shù)據(jù)在有效數(shù)據(jù)完整率、相關(guān)性、平均風(fēng)速、風(fēng)切變等方面進行對比分析，以驗證兩個設(shè)備所測數(shù)據(jù)是否具有一致性，為后續(xù)的高層風(fēng)速推算提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

一、有效數(shù)據(jù)完整率對比

由于電磁波或聲波在遠距離傳輸過程中的能量耗散效應(yīng)，雷達測風(fēng)系統(tǒng)在較長的觀測周期內(nèi)會出現(xiàn)不同程度的數(shù)據(jù)缺失情況，并且通常情況下，隨著觀測高度的升高，數(shù)據(jù)完整率會逐漸降低。因此，在進行更加深入的數(shù)據(jù)分析之前，對各觀測高度的數(shù)據(jù)完整率進行統(tǒng)計是十分必要的，因為它決定了整個觀測周期內(nèi)可用數(shù)據(jù)的多少。經(jīng)統(tǒng)計分析，AQ510聲雷達和測風(fēng)塔在80m和100m高度層的有效數(shù)據(jù)完整率都很高，接近100%，詳細數(shù)據(jù)可見表2。

AQ510聲雷達可觀測由40m高度起，每5米一層間隔一共33層的垂直風(fēng)速變化。理論上來講，測風(fēng)雷達的有效數(shù)據(jù)完整率都會隨高度增加而下降。此處對AQ510聲雷達主要觀測高度的有效數(shù)據(jù)完整率進行了統(tǒng)計，結(jié)果表明這些觀測高度有效數(shù)據(jù)完整率均在90%以上，100m以下觀測高度有效數(shù)據(jù)完整率均在97%以上，詳細可見表3。

由此可見，聲雷達在這些觀測高度上有效數(shù)據(jù)完整率都很高，能夠為后續(xù)進行風(fēng)能資源評估提供足量的數(shù)據(jù)。

二、 相關(guān)性分析及風(fēng)速對比

由于測風(fēng)塔觀測時長一般可達一年，可認(rèn)為是長期參考數(shù)據(jù)，而雷達只有三個月，可認(rèn)為是短期數(shù)據(jù)，所以可依據(jù)兩者相關(guān)性，將短期數(shù)據(jù)插補訂正為長期數(shù)據(jù)。兩套數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)R）是其中的關(guān)鍵指標(biāo)。AQ510聲雷達與測風(fēng)塔相距416米，距離較近，有利于兩者進行風(fēng)速相關(guān)性對比。經(jīng)統(tǒng)計分析，聲雷達和測風(fēng)塔的相關(guān)性較好，80米及100米的相關(guān)性系數(shù)R值均在0.94以上，可以用于后續(xù)輔助分析。

表1 項目測風(fēng)情況基本信息表

表2 聲雷達與測風(fēng)塔數(shù)據(jù)完整率對比

表3 AQ510聲雷達不同高度層數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計

表4 AQ510與NRG測風(fēng)數(shù)據(jù)相關(guān)性

此處對AQ510聲雷達和測風(fēng)塔上NRG風(fēng)速計所測得的平均風(fēng)速進行了對比。為保證數(shù)據(jù)的可比性，在計算風(fēng)速時只保留了兩個設(shè)備在同一高度層同時都有數(shù)據(jù)時的時間節(jié)點，以保證絕對的嚴(yán)格同期。從表5中可以看到兩個設(shè)備的平均風(fēng)速差值均在0.1m/s以下，數(shù)據(jù)非常接近。需要注意的是，由于這兩種設(shè)備中并未存在高精度機械式測風(fēng)儀，故無法判別何種數(shù)據(jù)來源為理論正確值。

三、 風(fēng)切變分析

由于聲雷達可觀測40～200m高度范圍內(nèi)共計33層的風(fēng)況數(shù)據(jù)，故本項目引入聲雷達作為輔助觀測工具，計算測風(fēng)塔塔體高度以上的風(fēng)能資源水平。因此，風(fēng)切變分析以及更高層的風(fēng)況推算即為本項目的重點內(nèi)容。由于目前行業(yè)內(nèi)主流的高塔筒高度為120米，故本文在高層風(fēng)況計算時主要考慮110米及120米高度。

圖3 AQ510聲雷達與測風(fēng)塔風(fēng)廓線對比

表5 AQ510與測風(fēng)塔平均風(fēng)速對比

表6 AQ510聲雷達風(fēng)切變統(tǒng)計表（2017年5月30日—2017年8月30日）

表7 測風(fēng)塔風(fēng)切變統(tǒng)計表（2017年5月30日—2017年8月30日）

目前對于風(fēng)切變，主要采用指數(shù)律和對數(shù)律兩種方法進行氣象學(xué)意義上的討論。對數(shù)風(fēng)廓線公式可由普朗特（Prandtl）提出的半經(jīng)驗半理論的混合長理論和Monin-Obukhov相似理論推導(dǎo)得出，平均風(fēng)速u可表示為地面以上高度z的函數(shù)：

式中，u*為地表應(yīng)力，亦稱“摩擦速度”；κ為馮卡門常數(shù)，一般取0.4；z0為粗糙度長度，即通常所說的平均風(fēng)速為零時距離地面的高度，其隨下墊面性質(zhì)不同而不同。

指數(shù)律的常見公式為：

式中，α即風(fēng)切變系數(shù)或粗糙度系數(shù)，與層結(jié)、下墊面粗糙度及風(fēng)速大小有關(guān)，是風(fēng)能評估中最常用的公式。有研究表明，無論何種風(fēng)速大小、層結(jié)狀態(tài)，采用指數(shù)公式（2）計算不同高度的風(fēng)速都比對數(shù)公式（1）更接近實測值。觀測表明近地層風(fēng)速廓線與熱力層結(jié)有關(guān)，當(dāng)大氣為靜力非中性層結(jié)時，風(fēng)速廓線偏離對數(shù)廓線。另外，指數(shù)律誤差明顯小于對數(shù)律，對數(shù)律僅適用于30m以下的近中性層結(jié)。因此本文分析風(fēng)切變時使用指數(shù)律進行計算。

在計算風(fēng)切變前首先對原始風(fēng)速數(shù)據(jù)進行嚴(yán)格同期處理，只保留兩個設(shè)備在風(fēng)切變計算時所涉及高度層同時都有數(shù)據(jù)時的時間節(jié)點。聲雷達與測風(fēng)塔同期數(shù)據(jù)的風(fēng)廓線對比如圖3所示，可以看出，在測風(fēng)塔高度范圍內(nèi)，聲雷達與測風(fēng)塔數(shù)據(jù)非常接近，均與指數(shù)律公式（2）擬合得到的曲線十分吻合；然而在接近200米高度處，聲雷達觀測數(shù)據(jù)顯示，實測數(shù)據(jù)與指數(shù)律曲線有分離的趨勢。

由于本項目重點關(guān)注市面上主流的120米高塔筒型機組，并且聲雷達觀測層數(shù)較多，共計33層，因此下文單獨選取了120米高度以下，以及聲雷達和測風(fēng)塔共同具有的觀測高度測風(fēng)數(shù)據(jù)進行詳細的風(fēng)切變指數(shù)計算，并且使用不同的外推方法進行110米和120米風(fēng)速計算。

風(fēng)切變統(tǒng)計結(jié)果詳見表6和表7。從表中數(shù)據(jù)可以得知，觀測時段內(nèi)兩個設(shè)備的風(fēng)切變指數(shù)較為一致，且由于加入了聲雷達的觀測，有效得出了測風(fēng)塔高度以上高層的風(fēng)切變指數(shù)，可用于后續(xù)將測風(fēng)塔數(shù)據(jù)推算至更高高度。

高層風(fēng)速推算

經(jīng)過后續(xù)搜集，測風(fēng)塔數(shù)據(jù)可得到2017年1月11日至2018年1月10日1個完整年的數(shù)據(jù)。另外基于前述分析和比對，在確保AQ510聲雷達和測風(fēng)塔數(shù)據(jù)相關(guān)性較好的前提下，可參考聲雷達數(shù)據(jù)對測風(fēng)塔高層風(fēng)數(shù)據(jù)進行推算以及驗證，主要包括以下兩部分：（1）根據(jù)聲雷達高層數(shù)據(jù)將測風(fēng)塔80m三個月的平均風(fēng)速推算至90m及100m年平均風(fēng)速，并與測風(fēng)塔實測年平均風(fēng)速進行對比驗證；（2）根據(jù)聲雷達高層數(shù)據(jù)將測風(fēng)塔100m三個月的平均風(fēng)速推算得到110m和120m年平均風(fēng)速，進行高層風(fēng)速外推以及風(fēng)資源評估。

并且，以上兩個部分均可采用三種不同方法進行推算，主要思路依次為：方法一：使用聲雷達100～110m和100～120m的風(fēng)切變指數(shù)，將測風(fēng)塔100m年平均風(fēng)速直接外推到110m和120m；方法二：用聲雷達100～110m和100～120m的風(fēng)切變指數(shù)，將測風(fēng)塔100m風(fēng)速各樣本數(shù)據(jù)依次分別外推到110m和120m，再求平均得到各高度年平均風(fēng)速；方法三：利用聲雷達110m和120m與測風(fēng)塔100m三個月期間的同期風(fēng)速數(shù)據(jù)的相關(guān)性，采用一元線性回歸函數(shù)對測風(fēng)塔高層年平均風(fēng)速進行推算。

表8中展示了根據(jù)以上三種方法，分別對90m和100m高度進行對比驗證以及對110m和120m高度進行外推計算的結(jié)果。由表中結(jié)果可以看出：

表8 測風(fēng)塔高層風(fēng)速推算結(jié)果統(tǒng)計表

（1） 無論使用哪一種方法，使用三個月的風(fēng)速數(shù)據(jù)推算至一年得到的年平均風(fēng)速均與實測平均風(fēng)速存在一定的偏差，本項目分析的兩個高度層偏差范圍為0.02%～1.9%。

（2）三種方法得到的外推結(jié)果非常接近。對本項目而言，通過驗證偏差對比可以看出，方法一和方法二存在高估，方法三則較為保守，且整體偏差低于前兩種方法。

（3）意向輪轂高度120m處年平均風(fēng)速經(jīng)上述方法判斷約為5.13～5.15m/s，考慮方法三0.02%～1.17%的偏差范圍，則風(fēng)速的誤差范圍約為0.001～0.060m/s。說明采用聲雷達對高層切變進行分析進而評估風(fēng)資源的方法可以有效控制誤差范圍。

結(jié)論

本文以山東某風(fēng)電項目為例，對項目規(guī)劃區(qū)域內(nèi)聲雷達和測風(fēng)塔的實測數(shù)據(jù)進行了對比分析和風(fēng)切變測算，并使用三種方法對高層風(fēng)速進行驗證及推算，得到的主要結(jié)論如下：

（1）聲雷達AQ510在三個月內(nèi)100m高度有效數(shù)據(jù)完整率為97.39%，150m處仍可達到91.79%，數(shù)據(jù)完整率很高；與測風(fēng)塔相比，100m高度平均風(fēng)速偏差為0.021m/s，相關(guān)系數(shù)為0.962，可為后續(xù)數(shù)據(jù)插補提供可靠的理論依據(jù)。

（2） 聲雷達與測風(fēng)塔觀測得到的風(fēng)廓線十分吻合，但聲雷達可以提供更高的觀測量程，達到距地面200m，并且提供更精細的高度分布，達到每5m一個觀測高度，因此在測風(fēng)塔塔體高度以上的高空，可提供更詳細的風(fēng)況信息。

（3）本文采用三種方法推算得到的90m和100m年平均風(fēng)速偏差范圍均為0.02%～1.9%。三種方法得到的外推結(jié)果非常接近。論證了聲雷達用于高層風(fēng)資源評估的可行性。

攝影：張偉