短波頻段內風電場對無線臺站的信號干擾研究

焦思東

(國網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、民用領域均起著重要的作用，其工作頻率范圍為3～30 MHz。風能作為我國能源戰(zhàn)略的基礎，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]。隨著風電場建設項目規(guī)模的擴大和數(shù)量的增多，具有旋轉葉片的大尺寸特征的風電機對雷達信號的干擾問題也越顯突出。

現(xiàn)有風電機對無線系統(tǒng)的干擾研究集中于對雷達的影響，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]采用圓柱體對風電機葉片及塔架進行了建模，對L波段(1 452～1 492 MHz)下的風電機RCS進行了計算。文獻[3]計算了3 GHz下風電機完整旋轉周期下的RCS值。文獻[4]建立了風電機面模型，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1.5 GHz與3.6 GHz計算了風電機的RCS。

目前尚沒有針對風電機對短波頻段無線臺站的干擾的研究。本文確定以風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基風電機風電場面模型，并且采用計算精度較高的矩量法對風電機的電磁散射場進行求解，為后續(xù)風電機對無線臺站信號干擾的研究奠定了基礎。

1　風電場散射場計算原理

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

圖1　風電場對無線臺站信號干擾示意圖

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

2　風電場對無線臺站信號干擾的計算

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

圖2　風電場對無線臺站信號干擾模型

圖2所示風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，代入風電場積分方程，從而最終求解風電場散射場。

3　風電場對無線臺站信號干擾特性求解

3.1　風電場線模型的建立

圖3為本文研究的風電場對短波波段信號干擾的RCS計算模型。采用生產實際中的典型風電場實例進行相應建模，該實例中風電場額定功率為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，因此在計算結果中需考慮大地的散射結果。

圖3　風電機求解面模型

3.2　仿真計算結果

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

圖4　風電場對無線臺站信號干擾計算模型

圖5　風電場散射電場值

從圖5可以看出，在各偏航角度下，風電場散射電場值會發(fā)生較大變化，偏航角度在0°時，結果的波動較大，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，激勵源與風電場之間相對位置的變化導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　風電場散射電場最大值　單位：V/m

表1為風電場散射電場的最大值，結合圖5，可以直觀看出，隨著觀測點距風電場的距離越遠，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　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)風電場干擾防護間距的求解提供了研究基礎。

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

參考文獻：

[1]Lewke B, Kindersberger J, Stromberger J,etal. MoM-based EMI analysis on large wind turbines[C].EMC, Singapore, 2008: 196-199.

[2]Tennant A, Chambers B. Radar signature control of wind turbine generators[C].Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, Washington, USA, 2005: 489-492.

[3]Senem Makal Yucedag, Okan Mert Yucedag, Huseyin Avni Serim. Analytical method for monostatic radar cross section calculation of a perfectly conducting wind turbine model located over dielectric lossy half space[J]. IET Radar, Sonar and Navigation, 2014, 8(8): 965-970.

[4]Tran Vu La, Fran?ois LePennec, Christophe Vaucher. Small wind turbine generic model design for BTS radio interaction studies[C].24th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications: Fundamentals and PHY Track, IEEE, London, UK, 2013: 866-870.

[5]Aniceto Belmonte, Xavier Fabregas. Analysis of wind turbines blockage on doppler weather radar beams[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010,(9): 670-673.

[6]Gallardo-Hernando B, Munoz-Ferreras J.M, Perez-Martinez F, Aguado-Encabo F. Wind turbine clutter observations and theoretical validation for meteorological radar applications[J]. IET Radar, Sonar and Navigation, 2011, 5(2): 111-117.