激光雷達在不同地形條件下進行風資源評估的適用性研究

侯金鎖，王 冠，陳 瑋，趙 潔

（上海能源科技發(fā)展有限公司，上海 200233）

0 引言

風電作為主要的清潔能源之一，為構(gòu)建現(xiàn)代能源體系發(fā)揮著重要作用。近年來，風能資源評估的有效技術(shù)手段是數(shù)值模擬技術(shù)與風能資源測量相結(jié)合[1]，[2]。隨著我國風電裝機容量的快速增長，復雜山地風電場、尾流效應顯著的大基地風電場和海上風電場越來越多，風電場測風塔數(shù)量不足、測風塔代表性差導致的風資源評估不準確等問題日 益 突 出[3]。

增加測風塔的數(shù)量可以有效增強源區(qū)代表性，使風資源評估更加精準化。在風能應用中，風電機組日趨大型化，風機輪轂高度目前多在90～120m，葉輪直徑達120～160m，滿足此高度要求的測風塔不僅成本高，施工周期長，而且壽命較短，一旦建成就無法移動。一種替代在測風塔上安裝儀器進行風測量的新方法，即有著較高垂直分辨率的激光雷達作為新型測風手段已在風電行業(yè)扮演越來越重要的角色[4]。目前國內(nèi)用于補充測風的激光雷達主要是LEOSPHERE公司研發(fā)推出的WindCube激光測風雷達，其測量原理為激光脈沖多普勒頻移。國內(nèi)外已進行過一些WindCube激光雷達與傳統(tǒng)杯型測風儀的同步觀測對比分析試驗，試驗場地多為平坦地形，試驗結(jié)果表明WindCube測量數(shù)據(jù)有效率較高，與測風塔測量結(jié)果 的 相 關(guān) 性 較 好[5]，[6]。

使用激光雷達評估風資源，應注意雷達技術(shù)水平和應用條件限制，才能合理地達到測量效果。本文對復雜山地、平原、沿海3種地形條件下的WindCube激光雷達與測風塔的同步觀測實驗數(shù)據(jù)進行了對比，分析激光雷達各高度有效數(shù)據(jù)的完整率和準確性，驗證了WindCube激光雷達在不同地形條件下的適用性和不同測量高度下的準確性，進而探討了激光雷達代替測風塔評估風資源的可行性。

1 對比實驗地點及數(shù)據(jù)觀測時間

各激光雷達均安裝于測試場盛行風的上風向處，以避免受測風塔的塔影效應影響。復雜山地實驗地點位于河南省南陽市南召縣與魯山縣交界處，激光雷達與測風塔直線距離約為7m，同步觀測時間為20180420T000000-20180609T235000。平坦地形實驗地點位于河北省張家口市張北縣，激光雷達與測風塔直線距離約為15m，同步觀測時間為20180112T135000-20180129T235000。沿海地區(qū)實驗地點位于深圳市寶安區(qū)海岸線附近，激光雷達與測風塔直線距離約為50m，同步觀測時間為20190401T000000-20190430T235000。

2 WindCube激光雷達測量原理

激光雷達發(fā)射短激光脈沖，通過大氣氣溶膠（大氣中的固體微粒和液體微粒）反射激光，探測高度與激光脈沖來回時間是線性關(guān)系。空間中風的矢量結(jié)構(gòu)測量假設(shè)條件：同高度的風是均勻的，并且在4個方向探測時，風速是相同的[7]。Wind-Cube激光雷達測量原理如圖1所示。

圖1 WindCube激光雷達測量原理Fig.1 Measurement principle of WindCube lidar

3 儀器設(shè)置及數(shù)據(jù)處理

3.1 測量高度及儀器性能

WindCube激光雷達風速測量為0～70m/s，設(shè)計測量精度為0.1m/s，數(shù)據(jù)采樣率1s，存儲的數(shù)據(jù)為1s實測值和10min數(shù)據(jù)平均值。測風塔風速測量為0～70m/s，設(shè)計測量精度為0.1m/s，測風采樣率1s，輸出10min數(shù)據(jù)平均值。WindCube激光雷達參數(shù)見表1。

表1 WindCube參數(shù)Table1 WindCube performances ＆ specification

續(xù)表1

復雜山地測風塔對比觀測高度為90m和100m，平坦地形測風塔對比觀測高度為85，90，100m和120m；沿海地區(qū)測風塔對比觀測高度為40，50，80，100，150，160，250m和300m。

3.2 WindCube有效數(shù)據(jù)完整率

GB/T18710—2002《風電場風能資源評估方法》定義有效數(shù)據(jù)完整率為有效數(shù)據(jù)數(shù)目（應測數(shù)目與缺測數(shù)目、無效數(shù)據(jù)數(shù)目的差）和應測數(shù)目之比。按國標要求，進行風電場風能資源評估的測風數(shù)據(jù)的有效測風數(shù)據(jù)完整率應達到90%。

目前，風機輪轂高度一般在90～120m，主流風資源評估采用輪轂高度處風速進行發(fā)電量計算。WindCube激光雷達在復雜山地120m以下有效數(shù)據(jù)完整率在91%以上，平坦地形120m以下有效數(shù)據(jù)完整率在98%以上，沿海地區(qū)120m以下有效數(shù)據(jù)完整率在96%以上。

從整體來看，WindCube激光雷達有效數(shù)據(jù)完整率隨測量高度的升高而逐漸降低。不同地形條件下，WindCube各高度的有效數(shù)據(jù)完整率均在90%以上，能滿足風能資源評估要求。

從不同地形來看，當WindCube激光雷達測量高度一致時，沿海地形的有效數(shù)據(jù)完整率最高，平坦地形次之，有效數(shù)據(jù)完整率最差的為復雜山地。分析復雜山地有效數(shù)據(jù)完整率較低的原因發(fā)現(xiàn)，同步觀測時段內(nèi)大霧天氣較多。可能受氣溶膠濃度影響，氣溶膠粒子的散射與吸收效應抑制雷達性能，造成觀測數(shù)據(jù)缺失[8]。

霧對激光雷達測量有效數(shù)據(jù)完整率的影響如圖2所示。

圖2 霧對激光雷達有效數(shù)據(jù)完整率的影響Fig.2 Effect of fog on WindCube valid data integrity rate

4 統(tǒng)計方法

4.1 相關(guān)系數(shù)

皮 爾 森 相 關(guān) 系 數(shù) （Pearson correlation coefficient）用來反映兩個變量X和Y的線性相關(guān)程度。估算樣本的協(xié)方差和標準差，可得到樣本相關(guān)系數(shù)r（皮爾森相關(guān)系數(shù)）。

4.2 相對偏差

平均偏差與標準值之比為相對偏差，在此用于表征WindCube和測風塔的測風數(shù)據(jù)之偏差的離散度。離散程度小，說明兩類儀器觀測數(shù)據(jù)的偏差比較穩(wěn)定。平均風速的相對偏差Aws為

式中：uwindcube為WindCube激光雷達10min平均風速；umast為測風塔10min平均風速。

4.3 風廓線

風廓線用以描述風隨高度的變化情況，在此指風速隨高度的變化形態(tài)。在中性大氣層結(jié)下，對數(shù)和冪指數(shù)方程都可以較好地描述風速的垂直廓線，本文采用冪指數(shù)公式。

式 中：V2為 高 度Z2處 的 風 速，m/s；V1為 高 度Z1處的風速，m/s；α為風切變指數(shù)，表征風速隨高度的變化規(guī)律。

5 WindCube和測風塔觀測數(shù)據(jù)對比分析

5.1 平均風速偏差分析

復雜山地下WindCube激光雷達與測風塔對比觀測高度為90m和100m，其對比結(jié)果如表2所示。

表2 復雜地形WindCube與測風雷達平均風速對比Table2 Comparison of average wind speed between WindCube and windmast in complex terrain

平坦地形WindCube激光雷達與測風塔對比觀測高度為85，90，100m和120m，對比結(jié)果如表3所示。

表3 平坦地形WindCube與測風雷達平均風速對比Table3 Comparison of average wind speed between WindCube and windmast in plains

沿海地形WindCube激光雷達與測風塔對比 觀 測 高 度 為40，50，80，100，150，160，200，250m和300m，對比結(jié)果如表4所示。由表4可知：WindCube雷達在300m高度處測量數(shù)據(jù)失真，使用時剔除；在其他高度處的數(shù)據(jù)平均偏差均小于1%。

表4 沿海地形WindCube與測風雷達平均風速對比Table4 Comparison of average wind speed between WindCube and windmast in coastal terrain

5.2 平均風廓線對比

圖3為不同地形條件下WindCube與測風塔同步觀測風速值擬合的風廓線。由圖3可知：在對比觀測高度范圍內(nèi)，兩類儀器得到的平均風廓線形狀較為接近，但在數(shù)值上存在差異；復雜山地90～100m，WindCube擬合的冪指數(shù)值比測風塔擬合的冪指數(shù)值高0.076；平坦地形85～120m，WindCube擬合的冪指數(shù)值比測風塔擬合的冪指數(shù)值高0.029；沿海地形40～250m，WindCube擬合的冪指數(shù)值比測風塔擬合的冪指數(shù)值高0.020。

圖3 不同地形條件下WindCube和測風塔風廓線對比圖Fig.3 Comparison of wind speed profiles between WindCube and wind mast under various conditions

5.3 相關(guān)性分析

選取代表性高度對Windcube與測風塔兩種儀器的測量數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。復雜地形代表高度選取90m和100m，平坦地形代表高度選取90m和120m，沿海地形代表高度選取100m和150m。表5，6分別為不同地形條件下WindCube與測風雷達風速相關(guān)性和風向相關(guān)性對比結(jié)果。

表5 不同地形條件下WindCube與測風雷達風速相關(guān)性對比Table5 Wind speed correlation analysis between WindCube and wind mast

表6 不同地形條件下WindCube與測風雷達風向相關(guān)性分析對比Table6 Wind direction correlation analysis between WindCube and wind mast

由表5，6可知：復雜山地90，100m觀測高度WindCube與測風塔兩種儀器測量的風速相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，風向的相關(guān)系數(shù)在0.89以上；平坦地形90，120m觀測高度Windcube與測風塔兩種儀器測量的風速相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，風向的相關(guān)系數(shù)在0.85以上；沿海地形100，150m觀測高度Windcube與測風塔測量風速的相關(guān)系數(shù)在0.89～0.91，風向的相關(guān)系數(shù)在0.83以上。

6 結(jié)論

本文對復雜山地、平原、沿海3種地形條件下WindCube激光雷達與測風塔的同步觀測實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證WindCube激光雷達在不同地形和不同測量高度條件下代替測風塔評估風資源的可行性，通過對同步觀測數(shù)據(jù)的對比分析，得出以下結(jié)論。

①3種地形條件下，WindCube測量高度越高，有效數(shù)據(jù)完整率越低。在90～120m輪轂高度，有效數(shù)據(jù)完整率均在90%以上，滿足風能資源評估要求。

②從不同地形來看，風速、風向的相關(guān)系數(shù)由高到低依次為平坦地形、復雜山地和沿海地形。在輪轂高度范圍內(nèi)，平坦地形、復雜山地風速相關(guān)系數(shù)達0.99以上，風向相關(guān)系數(shù)為0.85～0.90；沿海地形風速相關(guān)系數(shù)達0.90以上，風向相關(guān)系數(shù)在0.90左右。

③輪轂高度為90～120m，在復雜山地、平坦地形條件下，WindCube與測風塔測得的10min平均風速偏差較小，在0.1m/s以內(nèi)，相對偏差在1%左右。在復雜山地和平坦地形，WindCube可代替測風塔進行風能資源評估。沿海地形條件下，WindCube與測風塔測得的10min平均風速偏差較大，達0.5m/s，相對偏差在10%左右。在沿海地區(qū)，受下墊面影響，WindCube替代測風塔的可行性應根據(jù)項目實際情況進一步評估。