地基式测风激光雷达在风电测试中的性能研究

李晓懂，金华斌，钱 赫，潘 特，叶积炜，王 潇

(浙江运达风电股份有限公司，浙江省风力发电技术重点实验室，杭州 310012)

0 引言

风能作为一种可再生清洁能源越来越受到重视，并得到了高速发展。风电机组是将风能转化为电能的设备，其输出功率越高，发电量越大。测量风电机组的功率曲线和功率系数需要测量来流的风速、风向等信息，而风速、风向测量的精度将直接影响风电机组功率曲线和功率系数测量的准确性。因此，测试风电机组功率特性时，需要采用较为准确的方式来测量风速、风向。在风电资源开发中，也需要对风电场内的水平风速、风向、湍流强度、风切变指数等气象参数进行测量，以便评估风电场的风能资源和进行风电场的合理规划。

传统测量风速、风向等气象参数的方式为竖立测风塔并安装有风速计和风向传感器，但这一方式的测量高度一般低于120 m，不可重复移动使用，并且在复杂地形情况下存在安装困难、成本高等不利因素。地基式测风激光雷达安装方便，测量高度在40～300 m 的范围，且通常可测量10 个高度层。因此，在进行风电机组功率特性测试和风资源评估时，地基式测风激光雷达是较好的选择。

当前地基式测风激光雷达的技术已较为成熟。文献[1]给出了地基式测风激光雷达数据校准的方法；文献[2-3]介绍了地基式测风激光雷达的相关技术参数、测量原理和安装使用指导等内容；文献[4-5]则给出了风电场湍流强度、风切变等气象参数的评价方式。但此前的研究对地基式测风激光雷达在测量方面准确度的探究较少。本文阐述了地基式测风激光雷达在风电领域实际应用中的优越性，根据IEC 61400-12-1:2017标准，研究并验证了地基式测风激光雷达在测量水平风速、风向、湍流强度、风切变等气象参数方面的测量精度。

1 地基式测风激光雷达的测量原理

地基式测风激光雷达通常是以波长为1～2 μm的不可见激光为载体，向大气发射脉冲激光束，经大气中的气溶胶粒子向后散射的激光携带气溶胶粒子的运动信息，雷达采集散射回来的激光然后进行一定的算法处理后，得出气溶胶粒子的运动速度，通过测量一定锥角体积内的多点处气溶胶粒子的运动信息，进而反演出实际风速、风向信息。

地基式测风激光雷达的测量高度是通过发射出的脉冲激光束，在大气中经气溶胶粒子散射回来的运行时间来确定激光束的行程，进而得出被测气溶胶粒子所处的高度。通常地基式测风激光雷达在高度测量方面会存在一定误差，但风电领域一般要求不高。

地基式测风激光雷达一般采用4 束正交对称的激光束对一定高度层的气溶胶粒子采样，然后计算出4 点位置处的风速，进而采用矢量风场反演法得出锥体内的风速信息，即为当前风速和风向。

地基式测风激光雷达的测量原理如图1 所示。图中，u、v、w为适量风速坐标系，E、S、W、N 代表东、南、西、北方向的激光束，安装方位应与地理方位相符。

图1 地基式测风激光雷达的测量原理图Fig.1 Principle of ground-based wind lidar

2 研究方案

传统测风塔的测风技术已经相对成熟，测量结果也受到广泛认可。将地基式测风激光雷达的实测数据与测风塔上杯式风速计的实测数据进行对比时发现，相对于测风塔的风速测量结果，地基式测风激光雷达的风速测量结果表现出一定程度的离散性。引起这种离散性的原因在于地基式测风激光雷达受到了各种环境因素，如温度、气压、风切变、湍流等的影响。研究地基式测风激光雷达测量精度的目的就是为了识别和量化在某一高度下一定风速范围内地基式测风激光雷达的实测数据和测风塔实测数据的相关性，进而评价地基式测风激光雷达的测量精度。

2.1 测试仪器

本次研究中，测试时使用的风速传感器(WS)、风向传感器(WD)、温度传感器(Temp)、气压传感器(Baro)的型号及技术参数如表1所示。

表1 测试设备的型号及技术参数Table 1 Model and technical specifications of test equipment

2.2 安装调试

本次测试位置的地形为非平坦地形，地形稍有起伏但并不十分明显。测试中，需要对多个高度层的风速及风向进行测量；并且地基式测风激光雷达应安装在尽可能靠近测风塔的位置，但不允许测风塔对地基式测风激光雷达的测量区域产生干扰。二者的具体安装布置如图2 所示。

测试数据的收集按照IEC 61400-12-1:2017 标准，收集水平风速、风向等数据的10 min 平均值，且地基式测风激光雷达和测风塔的数据采集时间是同步的。

图2 地基式测风激光雷达与测风塔的安装布置图Fig.2 Installation and arrangement of ground-based wind lidar and wind tower

3 结果分析

根据采集到的水平风速、风向等数据的10 min 平均值，可统计出测风塔和地基式测风激光雷达的有效数据量，具体如表2 所示。然后利用时间同步进行筛选后，将剩余的6493 个有效数据用于本次研究的结果分析。

表2 数据量统计Table 2 Statistics of data volume

从表2 中还可以看出，地基式测风激光雷达的数据有效率明显低于测风塔的，这也就造成在实际应用中，为了达到一定的测试数据量，地基式测风激光雷达需要花费更多的测试时间。

3.1 水平风速的测量精度

地基式测风激光雷达的水平风速数据相对于测风塔的水平风速数据的偏差定义为地基式测风激光雷达水平风速数据减去测风塔水平风速数据后再除以测风塔水平风速数据的百分比。具体计算式为：

式中，RSDErr为地基式测风激光雷达水平风速相对于测风塔水平风速的偏差百分比；VRSD为地基式测风激光雷达的水平风速10 min 平均值；Vref为测风塔的水平风速10 min 平均值。

根据实测数据对水平风速做区间拟合[6]，结果如图3 所示。

图3 水平风速测量精度Fig.3 Horizontal wind speed measurement accuracy

从图3 可以看出，在4～16 m/s 的风速范围内，地基式测风激光雷达的水平风速和测风塔的水平风速的相关性极好。其中，散点拟合k=0.99884、R2=0.93495；区间平均值拟合k=0.98732、R2=0.99842。在4～16 m/s 的风速范围内，地基式测风激光雷达水平风速相对于测风塔水平风速的平均偏差为-4.1%～10.5%；其中，8 m/s 以下风速段偏差较高，8 m/s 以上风速段偏差较低，15 m/s 风速后出现负向偏差。总的来说，地基式测风激光雷达水平风速和测风塔水平风速的相关性极好，但平均偏差水平较大。

3.2 风向的测量精度

地基式测风激光雷达的风向数据相对于测风塔的风向数据的偏差定义为地基式测风激光雷达风向数据减去测风塔风向数据后再除以测风塔风向数据。具体计算式为：

式中，RDDErr为地基式测风激光雷达风向相对于测风塔风向的偏差；DRSD为地基式测风激光雷达的风向10 min 平均值；Dref为测风塔的风向10 min 平均值。

根据实测数据对风向做区间拟合[6]，结果如图4 所示。

图4 风向测量精度Fig.4 Wind direction measurement accuracy

从图4 可以看出，在0°～360°的风向区间内，地基式测风激光雷达的风向和测风塔的风向的相关性极好。其中，散点拟合k=0.97968、R2=0.98568；区间平均值拟合k=0.99392、R2=0.99833。在0°～360°的风向区间内，地基式测风激光雷达风向相对于测风塔风向的平均偏差为-10.0°～9.2°，并且变化呈现周期性波动。总体而言，地基式测风激光雷达风向和测风塔风向的相关性极好，但平均偏差水平较大。

3.3 风切变的测量精度

此处风切变是仅指风速在垂直距离上的变化，在风资源评估中，风切变指数是一项重要测量参数。风切变指数的计算式为：

式中，Vz为高度Z处的风速；V0为高度Z0处的风速；α为风切变指数。

根据实测数据，对不同高度层的风速的10 min 平均值进行风廓线拟合[6]，结果如图5所示。

图5 测得的风切变指数与风廓线Fig.5 Measured wind shear index and wind profile

图5 的拟合结果表明，测风塔测得的风切变指数为0.19464，而地基式测风激光雷达测得的风切变指数为0.21338；且测风塔测得的风廓线和地基式测风激光雷达测得的风廓线存在静态偏差0.3 m/s，地基式测风激光雷达的平均风速偏高。二者测得的风切变指数相差0.01874 在可接受范围内，但静态偏差0.3 m/s 对于评估风电场年平均风速来说，存在较大误差。

3.4 湍流强度的测量精度

根据IEC 61400-1:2005 标准，10 min 湍流强度值定义为风速的10 min 标准差与风速的10 min 平均值之比。具体计算式为：

式中，IT为10 min 湍流强度值；σ为风速的10 min 标准差；V为风速的10 min 平均值。

湍流强度与风速的关系是风电场评估的重要参数。某一风速区间的湍流强度可由下式计算：

式中，Is为风速区间的名义湍流强度；I为风速区间内湍流强度的平均值；σ1为风速区间内湍流强度的标准差。

根据实测数据应用区间法，绘制出湍流强度与水平风速的关系图，并绘制了IEC 61400-1:2005 标准中A 级高湍流强度、B 级中等湍流强度、C 级低湍流强度的判定曲线以作参考，结果如图6 所示。

由图6 可知，测风塔测得的湍流强度较低于IEC61400-1:2005 标准中规定的C 级低湍流强度曲线，表明该测试地点的湍流强度属于低湍流强度区；但地基式测风激光雷达测得的湍流强度则明显高于测风塔的测量结果，在实际测试中很有可能造成对风电场湍流强度的错误评估。地基式测风激光雷达测得的湍流强度明显较高的原因要归结于其所测的湍流强度并不是测风塔所测的单点处风速的标准差，而是4 个测点处的综合风速标准差。

图6 湍流强度测量结果对比Fig.6 Comparison of turbulence intensity measurement results

4 结论

本文从地基式测风激光雷达在风电领域的应用角度出发，对比分析了传统测风塔和地基式测风激光雷达的实测数据，研究了地基式测风激光雷达应用的优、劣势和对气象参数测量的精度，研究结果如下：

1)地基式测风激光雷达在安装、重复使用和多个高度层测量方面具有较好的优势，但其长期测量数据的有效率明显低于传统测风塔的数据有效率。

2)地基式测风激光雷达的水平风速、风向测量精度较好；地基式测风激光雷达的数据和传统测风塔的数据的相关性极好，但在风速平均偏差和风向平均偏差方面相差较大，这在风资源评估中的影响较小，但在功率曲线测试中的影响较大。

3)在风切变指数测量精度方面，地基式测风激光雷达和传统测风塔的结果相当，测量精度较好，但风廓线测量可能会存在明显差异，这种情况在风资源评估中是不可接受的。因此在地基式测风激光雷达性能指标中，建议增加针对风切变指数和风廓线测量的要求，以有利于风资源评估的准确性。

4)由于地基式测风激光雷达所采用的测量技术不同，造成了其在湍流强度测量方面与传统测风塔测得的湍流强度存在较大差异，极有可能造成湍流强度水平的误判。因此在风资源评估中，使用地基式测风激光雷达测量的湍流强度需要谨慎处理。