聲雷達在低層大氣風能資源評估中的應用

文 | 楊靖文，尚朋真，張佳麗，楊楠，鄭楊艷

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

與傳統測風塔相比，多普勒測風聲雷達具有更大的觀測量程，能夠測得200米高度處的風速、風向和湍流強度等風況數據。同時，由于聲雷達具有不受空氣質量影響、精度高、安裝方便、可重復利用等優勢，可配合測風塔進行測風工作。這對快速判別場址資源條件、降低測風成本、及時安排調整開發計劃具有十分重要的意義。

本文以山東某風電項目為例，對多普勒AQ510聲雷達和附近測風塔的同期數據及風切變指數進行對比分析，在此基礎上根據聲雷達測得的風切變指數和測風塔風速數據，使用三種方法推算出測風塔以上高度的風速，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能資源評估中的應用。

項目概況

本文分析項目位于山東平原地區，場內于2017年1月設立一座100米測風塔，為評估100米以上高層風能資源情況，于2017年5月至8月在場內增設一座測風聲雷達，對同期數據進行初步評估。測風塔數據收集滿一年。

一、 測風設備介紹

測風塔設備采用美國NRG公司的傳感器及記錄儀，并經過實驗室標定，有詳細的標定報告。風速儀型號NRG#40，風向標型號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的平均風速和每10min的風速標準偏差值；風向觀測采樣時間間隔為2s，并自動計算和記錄每10min的風向值、標準偏差。

測風聲雷達為瑞典AQ510（圖1），是風廓線雷達的風電行業應用改進技術。它以多普勒頻移的信號反射系統為基礎，并采用了最先進的數據處理技術，可以精確測量40米至200米區間范圍內33個不同觀測高度上的風速、風向和湍流強度等氣象要素。

二、項目測風情況

圖1 AQ510聲雷達測風系統示意圖

圖2 測風塔和聲雷達位置信息圖

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

數據對比及分析

聲雷達和測風塔具有3個月的同期時段數據，首先將兩者的同期數據在有效數據完整率、相關性、平均風速、風切變等方面進行對比分析，以驗證兩個設備所測數據是否具有一致性，為后續的高層風速推算提供可靠的數據基礎。

一、有效數據完整率對比

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

AQ510聲雷達可觀測由40m高度起，每5米一層間隔一共33層的垂直風速變化。理論上來講，測風雷達的有效數據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據完整率進行了統計，結果表明這些觀測高度有效數據完整率均在90%以上，100m以下觀測高度有效數據完整率均在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據完整率都很高，能夠為后續進行風能資源評估提供足量的數據。

二、 相關性分析及風速對比

由于測風塔觀測時長一般可達一年，可認為是長期參考數據，而雷達只有三個月，可認為是短期數據，所以可依據兩者相關性，將短期數據插補訂正為長期數據。兩套數據之間的相關性（相關系數R）是其中的關鍵指標。AQ510聲雷達與測風塔相距416米，距離較近，有利于兩者進行風速相關性對比。經統計分析，聲雷達和測風塔的相關性較好，80米及100米的相關性系數R值均在0.94以上，可以用于后續輔助分析。

表1 項目測風情況基本信息表

表2 聲雷達與測風塔數據完整率對比

表3 AQ510聲雷達不同高度層數據完整率統計

表4 AQ510與NRG測風數據相關性

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

三、 風切變分析

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

圖3 AQ510聲雷達與測風塔風廓線對比

表5 AQ510與測風塔平均風速對比

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

表7 測風塔風切變統計表（2017年5月30日—2017年8月30日）

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

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

指數律的常見公式為：

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

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

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

風切變統計結果詳見表6和表7。從表中數據可以得知，觀測時段內兩個設備的風切變指數較為一致，且由于加入了聲雷達的觀測，有效得出了測風塔高度以上高層的風切變指數，可用于后續將測風塔數據推算至更高高度。

高層風速推算

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

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的風切變指數，將測風塔100m年平均風速直接外推到110m和120m；方法二：用聲雷達100～110m和100～120m的風切變指數，將測風塔100m風速各樣本數據依次分別外推到110m和120m，再求平均得到各高度年平均風速；方法三：利用聲雷達110m和120m與測風塔100m三個月期間的同期風速數據的相關性，采用一元線性回歸函數對測風塔高層年平均風速進行推算。

表8中展示了根據以上三種方法，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果。由表中結果可以看出：

表8 測風塔高層風速推算結果統計表

（1） 無論使用哪一種方法，使用三個月的風速數據推算至一年得到的年平均風速均與實測平均風速存在一定的偏差，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處年平均風速經上述方法判斷約為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資源的方法可以有效控制誤差范圍。

結論

本文以山東某風電項目為例，對項目規劃區域內聲雷達和測風塔的實測數據進行了對比分析和風切變測算，并使用三種方法對高層風速進行驗證及推算，得到的主要結論如下：

（1）聲雷達AQ510在三個月內100m高度有效數據完整率為97.39%，150m處仍可達到91.79%，數據完整率很高；與測風塔相比，100m高度平均風速偏差為0.021m/s，相關系數為0.962，可為后續數據插補提供可靠的理論依據。

（2） 聲雷達與測風塔觀測得到的風廓線十分吻合，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，因此在測風塔塔體高度以上的高空，可提供更詳細的風況信息。

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

攝影：張偉