測風聲雷達技術在風速測量中的研究與應用

高陽，劉寶良，許傲然，谷彩連，冷雪敏

（沈陽工程學院電力學院，遼寧沈陽 110136）

作為可再生能源大規模利用的典范，近年來風電產業的迅速發展致使風電并網容量逐年增加。然而，受風能間歇性、不確定性等因素的限制以及大電網消納可再生能源能力的限制，風力發電系統輸出的功率波動性較大。大規模風電并網會對電力系統的電能質量、安全穩定運行產生沖擊，影響電力系統的安全可靠運行[1]。為減少風電大規模并網過程中對大電網產生的沖擊，需要對風能做出精確預報并制定合理的風電調度曲線[2]。對風能的準確預報不僅可以提高風電預測模型的精度與氣象決策服務，而且還可以制定合理的風電調度曲線并提高大電網對風電的消納能力。而風電功率的預測精度則主要依據風電場風速的測量精度，風速測量裝置的測量精度越高，風電功率預測的結果越精確[3-4]。

當前，在測風領域中常采用測風塔以及雷達設備進行風能測量。測風塔廣泛應用于地區風能資源的評估、風機選址以及風電功率預測中，但是測風塔在應用中還存在極端天氣易傾倒、使用及高空運維極其不便及成本昂貴等缺陷[5-6]。而雷達測風作為一種風能測量的技術，可以分為風廓線雷達測風、激光測風雷達測風和聲雷達測風3種形式。與風廓線雷達和激光測風雷達相比，測風聲雷達能夠對10～200 m 范圍內的風速、風向、垂直氣流進行高精度探測，建設成本低、使用壽命長、運行維護方便且極端環境下具有高適應性[7-8]。因此，測風聲雷達可以作為一種有效的風電場測風技術，可以實現風能的測量與采集。

1 風電場測風原理及對比分析

風電場風速測量主要采用基于三維超聲波測風儀技術的測風塔測風技術以及基于雷達測風技術，而雷達技術測風可以分為風廓線雷達測風、激光測風雷達測風和聲雷達測風3 種形式，文中采用測風聲雷達技術進行風電場的測風。

1.1 測風塔測風原理

在測風塔不同的高度安裝三維超聲波測風儀，測量每個高度的風速、每個超聲波測風儀有3 對超聲波傳感器，每對傳感器間的角度為120°，每對傳感器的距離為D，與垂直向的角度為θ[9]。基于三維超聲波測風儀技術的測風塔測風原理圖如圖1 所示。

圖1 測風塔測風原理圖

如圖1 所示，當每個傳感器Ti(i=1,…,6)均發射一次超聲波時，與之對應的傳感器將會接收到一次超聲波，受順風和逆風情況的影響，超聲波的傳輸將會產生傳播時間差，而基于時間差的大小可以計算與風速相關的u、v、w分量，表達式如下所示：

根據式（1）和式（2）可以計算得到測風塔測量的風速和風向，其函數表達式如式（3）所示：

1.2 測風聲雷達測風原理

聲雷達是一種利用人耳可聽的聲波來測量大氣氣流流動的雷達設備(即風速、風向測量設備)。聲雷達天線是由多個收發可逆的壓電換能器組成相控陣，收發共用。聲雷達工作時，向低空大氣層發射一個多頻編碼的短脈沖聲信號，該脈沖信號具有聲音的基本特征,在大氣中定向傳播；當該發射信號遇到大氣中的湍流時便發生各項散射，其中的后向散射回波與發射方向相差180°。聲雷達天線接收后向散射回波，對該方向的回波信號進行處理，得到徑向的多普勒頻移，再轉換成徑向風速[10-11]。聲雷達測量原理如圖2所示。

圖2 聲雷達測量原理

聲雷達測量三維風速至少需要3 個不在同一平面的徑向風速進行合成。測風聲雷達采用五波束法，即一個垂直波束、4 個傾斜波束，傾斜角度一般在15～30°之間，且位于兩個相互垂直的平面內，測風聲雷達測風原理如圖3 所示。

圖3 測風聲雷達測風原理

五波束測風幾何關系如圖3 所示，u、v、w分別代表風速矢量在東、北、天頂方向上的分量，θ為波束俯仰角，φ為方位角。用Vrx表示波束方向的風速，根據多普勒頻移和5 個波束的探測幾何關系可得方程組如式（4）所示：

式（4）可以表示為N=BRV，方程的最小二乘解為：

風速分量u和v合成水平風速Vh，方向角為ψ。則水平風速的函數表達式為：

水平風速Vh即為所需的測風聲雷達測風數據，fd1、fd2、fd3、fd4、fd5分別表示5 個波束對應的多普勒頻移。

1.3 不同測風技術分析

采用測風塔測風技術進行風電場風速的測量時主要存在的問題如下：

1）測風塔測風存在安全隱患。測風塔測風裝置在極端情況下容易發生倒塔現象，并引發人身、財產和經濟損失；覆冰、凍雨等情況下測風塔測風設備不能正常運行；測風塔登高作業時經常發生人員傷亡等嚴重安全事故；測風塔測風高端進口設備存在數據和氣象信息泄露的安全隱患。

能源互聯網不是能源系統的簡單互聯，也不僅僅是能源系統的信息化，能源互聯網是在智能電網的基礎上，利用互聯網思維與技術改造傳統能源行業，實現橫向多源互補、縱向“源-網-荷-儲”協調、能源與信息高度融合的新型能源體系。目的是大幅度提升能源系統效率、促進商業模式創新、支撐綠色發展理念，如智慧城市、生態園區、綠色鄉村、智能家居等[34]。

2）運維困難。當前的測風塔裝置運維困難，需要專業人員進行定期登高維護。由于運維的難度大、成本高，大部分測風塔在建設完畢運行一段時間后，基本上處于缺乏維護的狀態。測風塔發生故障時，基本上需要一次現場故障排查和一次實際維修，導致維修、維護成本高，周期長。

3）綜合實施成本高。選址問題：綜合考慮監測能力、測風塔的高度和安全距離，增加測風塔選址的困難。征地問題：環保、土地保護、農民自我保護意識的提升，導致征地困難。固定式安裝：一旦選擇并建設，就無法移動和搬遷，如果選址出現偏差或需要動態實現風電場多處測風等情況，將會面臨束手無策的局面。

4）可靠性問題。測風塔運維困難導致長時間運行后設備缺乏運行維護，測風塔傳感器持續出現偏差且得不到及時校準和校正，實時數據傳輸不可靠，通信故障普遍發生。測風塔選址、建設時往往不能按照最合理的情況進行，導致運行期監測風能數據的科學性、合理性和可靠性不足。

5）精細化測風問題。測風塔安裝在固定高度（典型高度100 m），通常導致高層數據缺失。測風塔通常只能監測固定幾個層級高度，不能動態實時精確監測多層面數據。在低風速和微觀地形復雜地區甚至無法部署；在需要多點精確測風的環境下，測風塔無法移動。

6）適應性問題。在風電發展南遷的背景下，測風塔需要的征地和安全距離，在中東部地區農田、山林、人口居住區及復雜地形等地方問題凸顯。低風速等復雜微觀地形要求能夠精確測風，因此難以適應雨霧多發、裹冰與冰凍等情況[12-13]。

綜上所述，在優質風能資源已經開發殆盡，待開發地區風能資源薄弱、低速、超低風速是普遍情況，風機塔筒高度越來越高、競價上網和平價上網被推進，提質增效將是行業發展的本質訴求，在此發展趨勢下，傳統的測風塔測風技術已經難以滿足精細化測風需求。而基于新一代信息技術的測風聲雷達精細化風能感知與探測技術可以應用于風電產業的多種場景。具體場景表現在：

1）功率預測精準度提升。基于測風聲雷達技術通過對場站進行本地精細化測風來提升準確性；結合多層風速測量以及數據可靠性的提升，從而將其作為風電場功率預測系統模型和算法的輸入參數，間接提升風電場功率預測系統的準確性。

2）風資源評估和監測。基于測風聲雷達技術可以實現風資源評估、場站選址和微觀選址，確定風機輪轂在不同高度的位置及高空的風速和風向。

3）發電能力評測和校正。基于測風聲雷達技術能夠快速部署和精細化、可移動式測量，從而校驗風電機組發電能力，快速建立場站動態發電能力參考機制，探測和確認性能低下的發電機組，評估整改后發電能力的提升情況。

4）風電場適應性評價。基于測風聲雷達技術能夠精確測量風切變、湍流、陣風、渦輪位置處的氣流傾角，因此，選擇最合適的風機來提升效益。

5）長時段風能監測。結合虛擬測風技術和風資源數據庫，并應用精細化測風聲雷達測風技術形成風資源宏觀和微觀數據庫，為風電行業提供咨詢和校驗服務[14-16]。

2 不同測風技術試驗對比分析

為驗證測風聲雷達在風電場風速測量過程中的有效性，測試地點選擇國內某兵器實驗中心氣象儀器計量站，該地點為平坦地形且無較大植被和障礙物。以100 m 高的測風塔作為對比的參考風塔，測風塔坐標所處位置為N45°44′39.55″，E122°40′39.55″。在進行試驗對比的過程中，聲雷達和參考測風塔之間不能相互影響，根據相關標準要求測風塔和聲雷達之間的距離不小于26 m，在對比中，將聲雷達位置設置在距離測風塔80 m的西南方，安裝坐標為N45°44′40.71″，E122°40′36.22″。而該試驗的對比則是通過聲雷達與安裝了校準過的測風設備進行的，將測風塔在不同高度的風速測試數據進行對比。在完成對比后，根據不同高度的聲雷達和測風塔風速與高度的相關性進行統計分析。

2.1 測試周期內的風速時序對比分析

不同高度測試周期內風速時序圖如圖4～8所示。

圖4 10 m處測試周期內的風速時序圖

圖5 20 m處測試周期內的風速時序圖

圖6 34 m處測試周期內的風速時序圖

分析如圖4～8 可知，與經過校準的不同高度的測風塔風速測試數據相比，聲雷達測風精度滿足風功率預測的要求，風速相關系數接近1。

圖7 55 m處測試周期內的風速時序圖

圖8 100 m處測試周期內的風速時序圖

2.2 測試周期內的風速相關性統計結果分析

在不同高度的聲雷達測風數據和測風塔測風數據相關性統計分析過程中，采用最小二乘法進行擬合：假設聲雷達測量的數據為x，測風塔測量的數據為y，采用最小二乘法進行擬合的函數表達式為：

式中，k、b分別表示一元線性方程的比例系數和常數，n為風速測試數據的個數，xˉ、yˉ分別表示聲雷達測量數據的平均值和風塔測量數據的平均值，xi、yi分別表示第i個聲雷達測量的風速數據和風塔測量的風速數據，f(xi)表示關于xi的最小二乘法一元線性方程，r2表示誤差。

按照最小二乘法擬合進行聲雷達和測風塔風速與高度的相關性統計分析，得到的分析結果如圖9～13所示。

圖9 10 m處不同測風技術風速相關性統計圖

圖10 20 m處不同測風技術風速相關性統計圖

圖11 34 m處不同測風技術風速相關性統計圖

分析如圖9～13可知，不同測風技術在不同高度的風速擬合函數關系表達式及誤差分析如表1所示。

圖12 55 m處不同測風技術風速相關性統計圖

圖13 100 m處不同測風技術風速相關性統計圖

表1 不同高度風速擬合函數關系表達式及誤差分析

分析表1 中不同高度的風速擬合函數關系表達式及誤差分析結果可知，測風聲雷達能夠實現風電場風速的精細化測量。

3 結論

文中以測風聲雷達技術為研究對象，介紹了風電場測風聲雷達、測風塔的風速測量原理及聲雷達和測風塔在工程應用中的優缺點；為驗證測風聲雷達技術在風電場風速測量中的有效性，在國內某兵器實驗中心氣象儀器計量站安裝了校準過的測風設備，將測風塔在不同高度的風速測試數據與對應高度的聲雷達測量數據進行對比，并分析聲雷達、測風塔在不同高度的風速擬合函數關系表達式及誤差，驗證了聲雷達技術能夠實現風電場風速的精細化測量。