WFMS-200型风电场声雷达与测风塔测风结果比对

张焕胜，马振富，冯 策，张 皓，蒋 灏

(1.电视电声研究所，北京 100015；2.中国白城兵器试验中心，白城 137001)

工程与应用 doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.05.018

WFMS-200型风电场声雷达与测风塔测风结果比对

张焕胜1，马振富2，冯 策1，张 皓1，蒋 灏1

(1.电视电声研究所，北京 100015；2.中国白城兵器试验中心，白城 137001)

声雷达作为一种有效的风电场测风手段，具有安全性高、建设、使用、维护简单、成本低等优点。本文简要介绍了国内外声雷达在风电领域的应用情况，分析了声雷达和超声波测风仪的测风原理，根据两种仪器测风原理的不同，提出了一种精度比对方法，在总装31试验基地开展了比对试验，试验数据表明WFMS-200型声雷达测风性能满足风电场测风要求。

声雷达； 测风塔； 超声波测风仪； 风电场； 同步比对

0 引 言

目前，在风电领域，广泛采用测风塔进行风资源评估、风机微观选址和风功率预测[1，2]。但测风塔主要存在以下几个问题，一是冻雨季节时有倒塔，二是需要高空作业，安全隐患大，三是建设、使用、维护非常不便，四是成本昂贵，尤其海上和大型风电机组应用场景。因此，有必要寻求一种新的测风手段。目前主要的低空风测量手段主要有风廓线雷达、激光测风雷达和声雷达，风廓线雷达低空探测能力差，成本高，激光测风雷达探测性能受能见度影响大，寿命短，成本高，在风电领域应用有限[3]。声雷达能够探测10米～200米范围的风速、风向、垂直气流，探测精度高，分辨率小，无需建塔，安全性高，建设、使用、维护方便，成本低，寿命长，环境适应能力强，是一种有效的风电场测风手段[4,5]。

声雷达在使用前，需要与测风塔超声波测风仪进行比对，确定声雷达的性能能够满足风电场测风需求[3,6,7]。本文简要介绍了国内外声雷达在风电领域的应用情况，分析了声雷达和测风塔超声波测风仪的测风原理，根据两种仪器测风原理的不同，提出了一种比对方法，在总装31试验基地开展了对比试验，试验数据证明声雷达测风性能满足风电场测风要求。

1 声雷达在国内外风电领域的应用

在国外，声雷达已广泛应用于风电领域，包括风资源测评、风机选址、风功率预测等，典型的产品主要有法国Remtech公司的PA-XS型声雷达、芬兰Vaisala公司Triton型声雷达、瑞典AQSystem公司AQ510型声雷达、美国ART公司VT-1型声雷达、德国Scintec公司MFAS型声雷达和德国Metek公司PCS2000-24型声雷达,共6型产品，如图1～6所示[8-13]。

图1 法国Remtech PA-XS声雷达

图2 瑞典AQSystem AQ510声雷达

图3 芬兰Vaisala Triton声雷达

图4 美国ART VT-1声雷达

图5 德国Scintec MFAS声雷达

图6 德国Metek PCS2000-24声雷达

国外引进的声雷达价格昂贵，且存在气象信息泄露的安全隐患，而国内声雷达研制又相对落后。因此，国内声雷达在风电领域的应用相对滞后，主要是采用测风塔。中国电科三所在军用某型声雷达的基础上，针对风电场气象测量的需求，专门研制了WFMS-200型风电场气象监测声雷达，它是一款地面远程传感系统，可测量10～200 m高度的风速风向和地面温、湿、压等气象信息，产品性能达到国外同类产品水平，价格大幅降低，完全自主可控，不存在气象信息泄露的隐患，具备在风电领域大规模推广应用的条件，产品如图7所示。

图7 中国电科三所WFMS-200型声雷达

2 测风原理比较

2.1 声雷达测风原理

声雷达采用收/发可逆相控阵天线，通过相位控制，向天顶、东、南、西、北5个方向顺序发射声信号，分别采集每个方向的后向散射回波，对回波信号进行多脉冲非相干积累，然后估计回波多普勒频率，利用回波多普勒原理，计算每个方向的径向风速，最后根据5个波束的几何关系，计算三维风速[6,14]。

图8 5波束测风原理图

(1)

式(1)可以表示为N=BRV，方程的最小二乘解为：

(2)

风速分量u和v合成水平风速Vh，方向为ψ如图8所示。

(3)

2.2 测风塔测风原理

测风塔在不同的高度安装三维超声波测风仪，测量每个高度的风速。每个超声波测风仪有3对超声波传感器，每对传感器间的角度为120°，每对传感器的距离为d，与垂直方向的角度为θ，如图9所示[15]。

图9 超声波测风仪原理图

如果每个传感器都发射一次声波，相对的传感器接收一次声波，那么在风的作用下，顺风和逆风就会产生传播时间差，利用这一时间差，可以计算出u，v，w风速分量,计算公式为(4)和(5)，风速和风向用公式(3)计算，其中vri为每对传感器间的径向风速，ti为传感器Ti发射时的时延。

(4)

(5)

2.3 两种设备测风原理比较

由声雷达和测风塔的测风原理可知，声雷达测量的是某一高度区域和某一时间区域的平均风速，是在空间和时间的平均，一般高度区域为10 m，时间区域为10 min；测风塔是利用超声波测风仪测量某一高度点的瞬时风速，一般高度区域为20 cm，时间区域为1秒。由于两种仪器的测风原理不同，比对结果必然引入误差，尤其是风速在高度向有切变或风速随时间变化较快时。因此，为了保证比对结果的可信度，要在平原地区进行比对，且在比对前需要对测风塔的数据进行预处理，尽可能减少由于测量原理不同而引入的误差。

3 同步比对方法

同步比对主要是获取声雷达与测风塔测风数据的误差，以及声雷达与测风塔测风数据相关性。

3.1 比对流程

(1)误差统计

首先要对测风塔数据进行预处理，比较声雷达数据和测风塔预处理数据，得到风速风向误差，然后剔除粗大误差，统计各高度标准差，最后统计总体误差，比对流程如图10所示。

图10 误差统计流程图

剔除粗大误差后，首先统计每个高度层的标准差，多个高度的误差按公式(6)综合得到统计总体误差。

(6)

(2)相关性统计

试验中用线性回归斜率k，线性回归偏移量b，决定系数r2三个参数判定声雷达与测风塔测风数据之间的相关性。

设声雷达数据为x，测风塔数据为y，线性拟合方程为y=kx+b，则：

(7)

(8)

(9)

图11 相关性统计流程图

3.2 测风塔数据预处理

首先在高度方向进行插值，获得10～100 m高度层的风速数据，高度间隔为1 m；然后根据声雷达测量高度，对测风塔插值后的数据进行相应高度区域的矢量平均；再根据声雷达累积时间，对高度区域平均数据进行时间区域的矢量平均；最终获得与声雷达高度对应的测风数据。

图12 测风塔数据预处理流程图

3.3 剔除粗大误差

4 同步比对试验与结果

2016年5月5日至5月25日在总装31试验基地进行了比对试验，测风塔高度100米，分别在20 m、34 m、55 m、75 m、100 m高度安装了超声波测风仪，速度精度rms0.1 m/s、方向精度±2°，声雷达与测风塔距离50 m，如图13所示。

图13 试验设备布置图

试验共获得约28000组数据，试验统计结果见图14～图21和表1。由图和表可以看出，声雷达测风精度满足风功率预测的要求。

图14 风向相关性统计

图15 风向相关性统计

图16 风向误差统计

图17 风向误差统计

图18 风速相关性统计

图19 风速相关性统计

图20 风速误差统计

图21 风速误差统计

10m20m34m55m75m100m总体风向误差2.642.412.342.402.382.212.40风速误差41.7936.4637.8140.7545.0539.9540.40风向k0.99810.99700.99680.99920.99710.99610.9974风向b1.761.921.961.751.931.161.77风向r20.99580.99970.99970.99970.99970.99960.9990风速k0.98161.01471.00961.01721.01141.00281.0051风速b7.102.366.422.3710.8322.4610.99风速r20.97250.98360.98540.98690.98720.99340.9839

5 结 语

风电场声雷达作为一种有效的低空风测量手段，测量精度能够满足风电场应用需求，可以用于风资源测评、风机选址、风电场运行中的风功率实时监测等。与测风塔、风廓线雷达、激光测风雷达等手段相比，建设、使用、维护方便，成本低，寿命长，是一种有效的风电场用测风手段。

[1] NB/T31079—2016风电功率预测系统测风塔数据测量技术要求[S], 国家能源局，北京:2016.

[2] IEC 61400-12—2015, Wind turine-Part 12-1:Power performance measurements of electricity producing wind turbines[S].IEC,2015.

[3] Steven Lang,Eamon McKeogh,LIDAR and SODAR Measurements of Wind Speed and Direction in Upland Terrain for Wind Energy Purposes[J].Remote Sensing, 2011,(3):1871-1901.

[4] P Coelingh, L Folkerts, Using SODAR measurements in the POWER project [C].Ecofys energy and environment, Utrecht, The Netherlands.

[5] L.Rogers,L.W.Henson,F.Manwell,SODAR Wind Resource Measurement Results at Falmouth,MA[J].

[6] Benjamin Piper, SODAR Comparison Methods For Compatible Wind Speed Estimation[D].Acoustics Research Centre School of Computing,Science and Engineering University of Salford, Salford, UK, 2011.

[7] 王乔乔，张秀芝，王尚昆，Windcude激光雷达与测风塔测风结果对比[J].气象科技，2013，41(1):20-26.

[8] RENTECH[EB/OL].http://www.rentechinc.com.

[9] VAISALA[EB/OL].http://www.vaisala.com.

[10]AQSystem[EB/OL].http://www.aqs.se.

[11]SCINTEC[EB/OL].http://www.scintec.com.

[12]METEK[EB/OL].http://www.metek.de.

[13]SODAR[EB/OL].http://www.sodar.de.

[14]Antoniou, Jorgensen, On Theory of SODAR Measurements, Final Reporting on WP1, EU WISE project[Z].NNE5-2001-297,RISO-R-1410(EN).

[15]张捷光，齐文新，齐宇.三维超声波测风原理与应用[J].计算机与数字控制，2013,41(1):124-127.

[16]GJB6556.8—2008军用气象装备定型实验方法:数据录取和处理[S].2008.

张焕胜(1976—)，男，山东人，主要研究方向为声探测系统；

E-mail：zhanghuansheng@cetc3.cn

马振富(1976—)，男，吉林人，主要研究方向为常规兵器试验，大气探测理论；

冯 策(1979—)，女，河北人，主要研究方向为声探测系统；

张 皓(1986—)，男，内蒙人，主要研究方向为声探测系统；

蒋 灏(1973—)，男，四川人，主要研究方向为声探测系统。

Comparison Between Sodar and Wind Tower Data

ZHANG Huan-sheng1, MA Zhen-fu2, FENG Ce, ZHANG Hao1, JANG Hao1

(1.Research Institute of TV and Electronic-Acoustic, Beijing, 100015, China;2.Baicheng Ordnance Test Center of China, Baicheng, 137001, China)

Sodar is a kind of effective means to measure the wind of wind farm.It is low cost and easy to construct, use and maintain.This article compared the principles of sodar and wind tower.According to the difference between the principles, this article proposed a comparison method between sodar and wind tower data.The results of comparison experiment show that this sodar is meet the needs for wind measuring of wind farm.

Sodar； Wind tower；Ultrasonic anemometer； Wind farm； Comparison

2016-08-02

2016-09-09

：A

1673-5692(2016)05-562-07