海上風電場對航海雷達探測性能影響研究*

劉克中 張金奮 嚴新平 楊 星

(武漢理工大學航運學院1) 武漢 430063) (水路公路交通安全與裝備教育部工程中心2) 武漢 430063)

近年來,全球海上風電場的發展十分迅速,截至2007年,世界海上風電場的總裝機容量達到了1 103 MW,近10年來的年平均增長率更是達到了58%[1].丹麥規劃2020年海上風電機組裝機容量達到2.75 GW,2030年達4 GW;德國預計2025年實現20～25 GW 的總裝機容量[2].我國海上風電場的發展也已經起步,2008年,我國首個海上風電項目“上海東海大橋100 MW海上風電示范項目”已經獲國家發改委批準并開始著手建設.根據國家相關規劃,我國的海上風力發電將會得到快速發展.

海上風電場的建設勢必會對附近海域的通航環境造成影響,包括風電場的建設會改變附近船舶的航路,需要對現有的航標等助航設施重新調整或布置等.風電場中風機的分布比較集中,對船上和岸基雷達的影響比較復雜,風電場對航海雷達的影響成為最為關鍵的問題之一,圍繞這一主題進行研究,具有非常深遠的意義.

C.G.James等[3]對航海雷達探測風機時風葉與雷達不同角度時的回波特性進行了研究,Colin Brown[4]從雷達方位分辨力和距離分辨力角度對如何有效觀測風電場進行了定性分析,Martin Howard和Colin Brown[5]隨后又通過實測數據進行了驗證性研究.由于海上風電項目在我國尚屬于新型能源項目,尚未見到研究海上風電場對航海雷達影響的相關文獻.

1 航海雷達主要觀測參數

對航海而言,海上風機對雷達信號的多次反射、阻擋等會不同程度影響雷達性能和探測范圍,影響雷達觀測物標的參數主要有雷達的方位分辨力和陰影區的大小.

雷達方位分辨力是指雷達能夠分辨距離相同而方位不同的2個物標之間的最小夾角.夾角越小,雷達的方位分辨力越高,雷達性能越好.雷達的方位分辨力公式為

式中:θ°H為水平波束寬度;d°為顯示器光點角尺寸.

當雷達附近有高大的障礙物時,會對雷達發射的電磁波產生遮擋而產生陰影區.由于電磁波具有一定的繞射能力,使得障礙物遮擋部分的一定范圍內仍然可以探測到物標.電波的繞射根據障礙物的不同可以分為刀刃繞射和圓頂峰繞射.當障礙物的曲率半徑與電磁波波長相差不大時,電磁波的繞射為刀刃繞射,而當障礙物尺度較大,曲率半徑與電波波長相差較大,則為圓頂峰繞射.具體判斷方法是:如圖1所示,當障礙物的曲率半徑R 及電波波長λ滿足(R/λ)＜2/(10 θ)3時,電磁波的繞射為刀刃繞射,否則為圓頂峰繞射.

當電磁波為刀刃繞射時,電磁波的衰減量A(dB)與幾何尺度因子v之間的關系可以用下式近似表示[6-7].

根據衰減量A計算出幾何尺度因子 ,進而雷達繞射高度h可以按照下式計算

式中:λ為雷達波長;d為雷達與障礙物之間的距離;r為雷達與探測目標之間的距離.

當障礙物半徑R已知時,可以求出在繞射作用下雷達的陰影區寬度θB為

圖1 雷達刀刃繞射

圖2 繞射作用下雷達陰影區

2 海上風電對航海雷達影響分析

海上風電場的建設對雷達觀測的影響的研究,主要從3個方面考慮:(1)風機反射回波的寬度,據此可以推斷雷達觀測風機時在雷達屏幕上的清晰程度;(2)研究當雷達探測風機周圍物標時能夠清晰分辨出物標和風機時所需的最小垂向距離,進而研究雷達觀測風電場內部物標的難易程度;(3)利用繞射理論計算雷達觀測風機時產生的陰影區寬度,并進一步分析雷達因遮擋而無法觀測到物標的概率.

為了增加研究的針對性,具體計算中以“上海東海大橋100 MW 海上風電示范項目”(以下簡稱“上海風電工程”)作為算例進行分析.上海風電工程是我國上海風力發電的示范項目,在東海大橋東側的上海市海域安裝34臺單機容量為 3 MW的風力發電機組,總裝機容量為102 MW,每臺風機直徑均為5 m,高度為90 m,風機按照東西方向距離為500 m,南北方向距離為1 000 m排列在東海大橋以東附近海域,風機的相對位置如圖3所示.

圖3 風機相對位置

2.1 風機有效反射寬度

當雷達回波的衰減達到-6 dB時,回波強度減為初始強度的一半,此時如果回波強度進一步降低,將無法被雷達探測到.因此風機的有效反射寬度可以等價為風機回波衰減-6 dB時的寬度.當觀測雷達分別位于風電場內部和風電場周圍時,風機有效反射寬度會有所不同,本文選取風電場中心區域(如圖3雷達位置1)和風電場以南2 000 m區域(如圖3雷達位置2)分別進行研究.

由式(2)知,當雷達回波衰減量為-6 dB時,幾何尺度因子v為-0.22.當雷達分別位于位置1和位置2時,1～34號風機所形成的有效反射寬度如圖4所示.

由圖4可知,當雷達位于風電場中心時,風機有效反射寬度在0.1～0.7°,而觀測雷達位于風電場外圍時,風機有效反射寬度僅為 0.06～0.22°,因此可以推斷觀測雷達位于風電場內部時雷達屏幕上的風機要比觀測雷達位于風電場外圍時清晰,而且用S波段雷達觀測時風機的有效反射寬度均要大于X波段雷達.

2.2 物標與風機垂向分辨距離

航海雷達的方位分辨力僅與雷達的水平波束寬度和光點角尺寸有關,屬于雷達本身的性能指標,與風電場的建設無關.但是雷達的方位分辨力高有利于觀測風電場內部的小物標,即便這樣,由于雷達存在一定的徑向擴張,當物標與風機距離減小到回波發生重疊時,雷達無法分辨出物標.當使用ARPA跟蹤風電場內物標時,很容易造成物標丟失或跟蹤錯誤.研究為避免發生這些情況所需要的物標與風機的最小垂直距離十分必要.

圖4 風機有效反射寬度

目前船用雷達的水平波束寬度為θH=0.7～1.5°,而港口雷達的 θH大小一般為 0.25～1.5°,本文將雷達水平波束寬度取為1°.利用雷達方位分辨力以及上述衰減寬度的計算結果,可以計算出雷達能夠清晰地分辨出風機與風機附近的物標需要風機與物標間的最小垂向距離,同樣利用上述2個位置進行研究,計算結果如圖5所示.

要使雷達能夠有效分辨出風機與位于風機附近的物標,物標與風機之間的垂向距離不得小于以上的計算距離.由圖5可知,選擇S波段雷達與X波段雷達對于區分物標的影響不大.當雷達位于風機中心時,要求物標與風機垂向距離不小于15 m,最大在 60 m以上;當雷達位于風機以南2 000 m(如圖3位置2)時,要求物標與風機垂向距離不小于40 m,最大為120 m以上.只有達到以上要求,雷達才能分辨出風機與物標.由此可見,雷達對于風電場內部物標的觀測存在困難,當雷達位于風電場外部,觀測難度將進一步加大.

2.3 陰影區

風機對雷達電磁波的散射80%來自風機塔身,每個風葉對電磁波的散射僅占散射量的5%,而且是出現在觀測雷達位于風機正面或背面的情況下[8-9].風機的曲率半徑為2.5 m,假設使用S(10 cm)波段雷達,觀測雷達位于風機幾何地平1 m 處,風機距雷達 50 m,(R/λ)=25,2/(10θ)3=250.1.所以(R/λ)＜2/(10θ)3,可以認定為刀刃繞射障礙物,同理,X波段雷達也屬于刀刃繞射.

圖5 物標與風機垂向距離

當電磁波衰減量 A為-12 dB時,回波明顯減弱,雷達無法探測到目標,可以認為目標處于雷達陰影區.由公式(3)可知幾何尺度因子v為0.73,此時繞射高度 h為 0.52[λ d(r-d)/r]1/2,雷達陰影區寬度如圖6所示.

圖6 雷達陰影區寬度

由圖6可知,雷達對風機產生陰影區的寬度較小.選用S波段雷達產生的陰影區較小,雷達距風機距離越遠,陰影區寬度就越小,但是陰影區不會消失;X波段雷達陰影區寬度較大,在相同情況下,陰影區寬度比S波段雷達大0.5°左右.當雷達陰影區小于0.5°時,陰影區的范圍很小,可以認為陰影區對觀測的影響很小,因此使用S波段雷達時,雷達與風機距離在100 m以上,以及使用X波段時,雷達與風機距離在250 m以上時,陰影區對觀測風機的影響很小.總體上講,物標位于風機陰影區的概率較小.

3 結 束 語

無論是岸基雷達還是船載雷達,對位于風電場內的目標的探測存在較大的困難,不宜使用雷達或ARPA對海上風電場內部及其附近物標進行跟蹤;當雷達與風機距離較近時,會產生一定的陰影區,隨著距離的增加,陰影區會逐漸變小.從雷達陰影區的角度來看,選用S波段雷達效果較好.

風電場一旦建成,對船上雷達和岸基雷達都將產生永久性的影響,其對船舶安全通航和海事監管影響研究具有重要的意義.由于我國目前尚未建成大型的海上風電場,其對雷達的影響的研究仍處于起步階段,僅僅停留在理論分析階段,仍需要在風電場建成后對其進行更深入的研究.

[1]葛 川,何炎平,葉 宇,等.海上風電場的發展、構成和基礎形式[J].中國海洋平臺,2008(6):32-35.

[2]宋 礎,劉漢中.海上風力發電場開發現狀及趨勢[J].新能源,2006(2):57-58.

[3]James C G,M atthews,Carlos Sarno,et al.Interaction between radar systems and wind farms[C]//Loughborough Antennas&Propagation Conference,Loughborough.Date:17-18 March 2008.

[4]Brown C.Assessment of the navigational impact of offshore wind farm[C]//Trinity House＇s Collision Risk Management Seminar.Nov.2003.

[5]Howard M,Brown C.Results of the electromagnetic investigations and assessments of marine radar,Communications and positioning systems undertaken at the North Hoyle wind farm by QinetiQ and the maritime and coastguard agency[R].Martin Howard and Colin Brown,MCA and QinetiQ Ltd.UK.2004.

[6]肖景明,王元坤.電波傳播工程計算[M].西安:西安電子科技大學出版社,1989.

[7]劉 彤,金一丞,尹 勇.航海雷達電磁波繞射仿真模型及其應用[J].計算機仿真,2002(5):86-87.

[8]L S Rashid,A K Brown.Impact modeling of wind farms on marine navigation radar[M].M ACS Engineering Research Group,School of Electrical and E-lectronic Engineering,Edinburgh,UK,2007.

[9]王世遠.航海雷達與ARPA[M].大連:大連海事大學出版社,1998.