海上风电场对航海雷达探测性能影响研究*

刘克中 张金奋 严新平 杨 星

(武汉理工大学航运学院1) 武汉 430063) (水路公路交通安全与装备教育部工程中心2) 武汉 430063)

近年来,全球海上风电场的发展十分迅速,截至2007年,世界海上风电场的总装机容量达到了1 103 MW,近10年来的年平均增长率更是达到了58%[1].丹麦规划2020年海上风电机组装机容量达到2.75 GW,2030年达4 GW;德国预计2025年实现20～25 GW 的总装机容量[2].我国海上风电场的发展也已经起步,2008年,我国首个海上风电项目“上海东海大桥100 MW海上风电示范项目”已经获国家发改委批准并开始着手建设.根据国家相关规划,我国的海上风力发电将会得到快速发展.

海上风电场的建设势必会对附近海域的通航环境造成影响,包括风电场的建设会改变附近船舶的航路,需要对现有的航标等助航设施重新调整或布置等.风电场中风机的分布比较集中,对船上和岸基雷达的影响比较复杂,风电场对航海雷达的影响成为最为关键的问题之一,围绕这一主题进行研究,具有非常深远的意义.

C.G.James等[3]对航海雷达探测风机时风叶与雷达不同角度时的回波特性进行了研究,Colin Brown[4]从雷达方位分辨力和距离分辨力角度对如何有效观测风电场进行了定性分析,Martin Howard和Colin Brown[5]随后又通过实测数据进行了验证性研究.由于海上风电项目在我国尚属于新型能源项目,尚未见到研究海上风电场对航海雷达影响的相关文献.

1 航海雷达主要观测参数

对航海而言,海上风机对雷达信号的多次反射、阻挡等会不同程度影响雷达性能和探测范围,影响雷达观测物标的参数主要有雷达的方位分辨力和阴影区的大小.

雷达方位分辨力是指雷达能够分辨距离相同而方位不同的2个物标之间的最小夹角.夹角越小,雷达的方位分辨力越高,雷达性能越好.雷达的方位分辨力公式为

式中:θ°H为水平波束宽度;d°为显示器光点角尺寸.

当雷达附近有高大的障碍物时,会对雷达发射的电磁波产生遮挡而产生阴影区.由于电磁波具有一定的绕射能力,使得障碍物遮挡部分的一定范围内仍然可以探测到物标.电波的绕射根据障碍物的不同可以分为刀刃绕射和圆顶峰绕射.当障碍物的曲率半径与电磁波波长相差不大时,电磁波的绕射为刀刃绕射,而当障碍物尺度较大,曲率半径与电波波长相差较大,则为圆顶峰绕射.具体判断方法是:如图1所示,当障碍物的曲率半径R 及电波波长λ满足(R/λ)＜2/(10 θ)3时,电磁波的绕射为刀刃绕射,否则为圆顶峰绕射.

当电磁波为刀刃绕射时,电磁波的衰减量A(dB)与几何尺度因子v之间的关系可以用下式近似表示[6-7].

根据衰减量A计算出几何尺度因子 ,进而雷达绕射高度h可以按照下式计算

式中:λ为雷达波长;d为雷达与障碍物之间的距离;r为雷达与探测目标之间的距离.

当障碍物半径R已知时,可以求出在绕射作用下雷达的阴影区宽度θB为

图1 雷达刀刃绕射

图2 绕射作用下雷达阴影区

2 海上风电对航海雷达影响分析

海上风电场的建设对雷达观测的影响的研究,主要从3个方面考虑:(1)风机反射回波的宽度,据此可以推断雷达观测风机时在雷达屏幕上的清晰程度;(2)研究当雷达探测风机周围物标时能够清晰分辨出物标和风机时所需的最小垂向距离,进而研究雷达观测风电场内部物标的难易程度;(3)利用绕射理论计算雷达观测风机时产生的阴影区宽度,并进一步分析雷达因遮挡而无法观测到物标的概率.

为了增加研究的针对性,具体计算中以“上海东海大桥100 MW 海上风电示范项目”(以下简称“上海风电工程”)作为算例进行分析.上海风电工程是我国上海风力发电的示范项目,在东海大桥东侧的上海市海域安装34台单机容量为 3 MW的风力发电机组,总装机容量为102 MW,每台风机直径均为5 m,高度为90 m,风机按照东西方向距离为500 m,南北方向距离为1 000 m排列在东海大桥以东附近海域,风机的相对位置如图3所示.

图3 风机相对位置

2.1 风机有效反射宽度

当雷达回波的衰减达到-6 dB时,回波强度减为初始强度的一半,此时如果回波强度进一步降低,将无法被雷达探测到.因此风机的有效反射宽度可以等价为风机回波衰减-6 dB时的宽度.当观测雷达分别位于风电场内部和风电场周围时,风机有效反射宽度会有所不同,本文选取风电场中心区域(如图3雷达位置1)和风电场以南2 000 m区域(如图3雷达位置2)分别进行研究.

由式(2)知,当雷达回波衰减量为-6 dB时,几何尺度因子v为-0.22.当雷达分别位于位置1和位置2时,1～34号风机所形成的有效反射宽度如图4所示.

由图4可知,当雷达位于风电场中心时,风机有效反射宽度在0.1～0.7°,而观测雷达位于风电场外围时,风机有效反射宽度仅为 0.06～0.22°,因此可以推断观测雷达位于风电场内部时雷达屏幕上的风机要比观测雷达位于风电场外围时清晰,而且用S波段雷达观测时风机的有效反射宽度均要大于X波段雷达.

2.2 物标与风机垂向分辨距离

航海雷达的方位分辨力仅与雷达的水平波束宽度和光点角尺寸有关,属于雷达本身的性能指标,与风电场的建设无关.但是雷达的方位分辨力高有利于观测风电场内部的小物标,即便这样,由于雷达存在一定的径向扩张,当物标与风机距离减小到回波发生重叠时,雷达无法分辨出物标.当使用ARPA跟踪风电场内物标时,很容易造成物标丢失或跟踪错误.研究为避免发生这些情况所需要的物标与风机的最小垂直距离十分必要.

图4 风机有效反射宽度

目前船用雷达的水平波束宽度为θH=0.7～1.5°,而港口雷达的 θH大小一般为 0.25～1.5°,本文将雷达水平波束宽度取为1°.利用雷达方位分辨力以及上述衰减宽度的计算结果,可以计算出雷达能够清晰地分辨出风机与风机附近的物标需要风机与物标间的最小垂向距离,同样利用上述2个位置进行研究,计算结果如图5所示.

要使雷达能够有效分辨出风机与位于风机附近的物标,物标与风机之间的垂向距离不得小于以上的计算距离.由图5可知,选择S波段雷达与X波段雷达对于区分物标的影响不大.当雷达位于风机中心时,要求物标与风机垂向距离不小于15 m,最大在 60 m以上;当雷达位于风机以南2 000 m(如图3位置2)时,要求物标与风机垂向距离不小于40 m,最大为120 m以上.只有达到以上要求,雷达才能分辨出风机与物标.由此可见,雷达对于风电场内部物标的观测存在困难,当雷达位于风电场外部,观测难度将进一步加大.

2.3 阴影区

风机对雷达电磁波的散射80%来自风机塔身,每个风叶对电磁波的散射仅占散射量的5%,而且是出现在观测雷达位于风机正面或背面的情况下[8-9].风机的曲率半径为2.5 m,假设使用S(10 cm)波段雷达,观测雷达位于风机几何地平1 m 处,风机距雷达 50 m,(R/λ)=25,2/(10θ)3=250.1.所以(R/λ)＜2/(10θ)3,可以认定为刀刃绕射障碍物,同理,X波段雷达也属于刀刃绕射.

图5 物标与风机垂向距离

当电磁波衰减量 A为-12 dB时,回波明显减弱,雷达无法探测到目标,可以认为目标处于雷达阴影区.由公式(3)可知几何尺度因子v为0.73,此时绕射高度 h为 0.52[λ d(r-d)/r]1/2,雷达阴影区宽度如图6所示.

图6 雷达阴影区宽度

由图6可知,雷达对风机产生阴影区的宽度较小.选用S波段雷达产生的阴影区较小,雷达距风机距离越远,阴影区宽度就越小,但是阴影区不会消失;X波段雷达阴影区宽度较大,在相同情况下,阴影区宽度比S波段雷达大0.5°左右.当雷达阴影区小于0.5°时,阴影区的范围很小,可以认为阴影区对观测的影响很小,因此使用S波段雷达时,雷达与风机距离在100 m以上,以及使用X波段时,雷达与风机距离在250 m以上时,阴影区对观测风机的影响很小.总体上讲,物标位于风机阴影区的概率较小.

3 结 束 语

无论是岸基雷达还是船载雷达,对位于风电场内的目标的探测存在较大的困难,不宜使用雷达或ARPA对海上风电场内部及其附近物标进行跟踪;当雷达与风机距离较近时,会产生一定的阴影区,随着距离的增加,阴影区会逐渐变小.从雷达阴影区的角度来看,选用S波段雷达效果较好.

风电场一旦建成,对船上雷达和岸基雷达都将产生永久性的影响,其对船舶安全通航和海事监管影响研究具有重要的意义.由于我国目前尚未建成大型的海上风电场,其对雷达的影响的研究仍处于起步阶段,仅仅停留在理论分析阶段,仍需要在风电场建成后对其进行更深入的研究.

[1]葛 川,何炎平,叶 宇,等.海上风电场的发展、构成和基础形式[J].中国海洋平台,2008(6):32-35.

[2]宋 础,刘汉中.海上风力发电场开发现状及趋势[J].新能源,2006(2):57-58.

[3]James C G,M atthews,Carlos Sarno,et al.Interaction between radar systems and wind farms[C]//Loughborough Antennas&Propagation Conference,Loughborough.Date:17-18 March 2008.

[4]Brown C.Assessment of the navigational impact of offshore wind farm[C]//Trinity House＇s Collision Risk Management Seminar.Nov.2003.

[5]Howard M,Brown C.Results of the electromagnetic investigations and assessments of marine radar,Communications and positioning systems undertaken at the North Hoyle wind farm by QinetiQ and the maritime and coastguard agency[R].Martin Howard and Colin Brown,MCA and QinetiQ Ltd.UK.2004.

[6]肖景明,王元坤.电波传播工程计算[M].西安:西安电子科技大学出版社,1989.

[7]刘 彤,金一丞,尹 勇.航海雷达电磁波绕射仿真模型及其应用[J].计算机仿真,2002(5):86-87.

[8]L S Rashid,A K Brown.Impact modeling of wind farms on marine navigation radar[M].M ACS Engineering Research Group,School of Electrical and E-lectronic Engineering,Edinburgh,UK,2007.

[9]王世远.航海雷达与ARPA[M].大连:大连海事大学出版社,1998.