聲雷達在風資源評估領域的應用價值研究★

張萬秋，劉寶良，鐘丹田，冷雪敏，谷彩連，許傲然

（沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136）

引言

在文件《IEC61400-12-1》及《風力發電機組功率特性測試》中對風速測量以及各類能量損失要求如下：風速儀由于會受到風機葉片轉動導致的擾流因素的影響，無法準確表達只風輪實際得到的風速，需要對其進行一定校準后才可用于能量可用率計算，此類校準通過運行期測風設備測到實際數據，經過數據關系擬合后才可獲得校準后的風輪前風速，實現對風電機組運行過程中各類電量損失的分解及有效管理。目前用于此類校準的風速均為數據采集與監控系統風速儀測量風速，系統中風電功率曲線也因此產生一定偏差。

1 風資源評估指標

隨著風電等可再生能源的逐步發展，處于投運中的風電場也隨之增加，因此投運中的風電場評估工作也得到了重點關注。投運風電場在初期設計中的風資源評估準確程度以及風能資源可發電量成為體現風電場運營效益的重要評估指標。風資源評估主要依賴于測風設備測得各類數據，若其與風機機艙前的真實風速誤差不大，可及時發現功率曲線的問題從而避免設備性能受損。不僅如此，風機的真實風速也會對風機各損失電量造成一定影響。目前風資源評估中采用的三類指標如式（1）～式（3）所示。

在式（1）中，根據統計，國內風電場平均水平與西方歐美等國家的風場的平均年發電小時數國有數百小時落差，而國內風場的TBA 指標水平與歐美等地幾乎一致，但是數百小時落差卻無發解釋清楚，因此僅考慮時間維度的衡量杜對于實際上損失風電量并無實際意義。若解決這一問題，離不開風速測量精度。即我們可以同過精準的風速得知當風能發生變化時風場損失電量的變化。而精細化測風聲雷達對比與其他測風設備，其對于風速的測量更加準確。

式（2）中：理論產能，指葉輪前風速，為空氣密度，為不同值下的理論功率曲線值。EBA 表示風場實際出力與理論值的比值。EBA 準確同樣也依賴于準確的風速作為輸入。

計算EBA 時離不開測風設備的測得的風速數據，依據由測風設備測量的風速與參考風機葉輪后風速之間的內在聯系，再依據自由流風速扇區的相關性，可得到參考風機全扇區的風速，由上述模型可以求出參考風機的理論出力，從而可以得到準確的EBA結果[1]。圖1 為投運中風機實際運行參數通過擬合后的功率曲線與廠商提供的理論功率曲線對比結果。

從圖1 中可以，擬合后功率曲線與理論功率曲線并未完全吻合，可能導致設備性能達不到標準，導致電量損失。各風速下功率曲線吻合度如表1 所示。

表1 各風速下功率曲線吻合度

為進一步準確得出EBA 數據，需要對機組功率曲線進行優化，優化過程如下頁圖2 所示，但功率曲線優化離不開精細化測風數據支撐。

式3 為無故障運行時間MTBT：風電場可靠性與風電場故障率呈現反相關，當而可靠性升高時故障率降低，因此在風資源評估中MTBT 作用重要性不言而喻。但是MTBT 無法充分支撐風場精細化管理[2]。另一種則是平均機組故障時間MTOTF：MTOTF 是通過因故障停機引發設備停運的單臺機組平均耗時來反映風電機組運行質量和維護隊伍的響應速度、故障診斷能力、修復效率和備件保障能力。

2 聲雷達與測風塔經濟性對比分析

聲雷達與測風塔的主要性能對比如表2 所示，聲雷達與測風塔的經濟效益對比如表3 所示。

表2 聲雷達與測風塔主要性能對比

表2 續

表3 聲雷達與測風塔的經濟效益對比

從表2 對比看出，聲雷達從各個方面均比測風塔更加符合精細化測風需求以及經濟性。

3 聲雷達與測風塔測風不確定性對比分析

測風塔由于設備本身測量采用的外推法會給測量結果帶來水平和垂直兩種方向的不確定性；而由于雷達的便攜性可以通過直接測量降低不確定性，通過放置聲雷達多點測量降低外推法產生的不確定性；每個點測量3 到6 個月，最多一年以獲得最優參數。兩類設備測風不確定性對比分析如下頁圖3 和圖4 所示。

從圖中可以看出聲雷達具備以下優點：

1）減少AEP 不確定性（風機輪轂高度和現場區域上方風的垂直和水平外推）

2）風速和風向的精確測量。

3）可以通過移動到幾個位置來減少與兩者相關的不確定性水平和垂直風速外推。

4）可以實現長期觀測和移動式觀測。

4 結論

通過分析精細化測風對于風電資源評估以及評估指標的重要性，對比分析聲雷達和測風塔兩種設備在性能、經濟性的差異，通過測風結果不確定性的表現得出以下結論，聲雷達對比測風塔具備以下優點：減少AEP 不確定性（風機輪轂高度和現場區域上方風的垂直和水平外推）；風速和風向的精確測量；可以通過移動到幾個位置來減少與兩者相關的不確定性水平和垂直風速外推；可以實現長期觀測和移動式觀測。