Fraunhofer漂浮式雷达与固定式测风塔测试阶段结果对比

王 强,王 通,路继宁

(1.长江三峡集团福建能源投资有限公司,福建 福州350003；2.上海勘测设计研究院有限公司,上海200093)

风能在全球电力系统中的重要性日益提高,逐渐成为世界各国普遍重视的可再生能源。预计2050年,全球总发电量的35%将来自风能[1]。在风力发电中,因海上风电所在区域风资源条件好,靠近负荷中心,越来越受到人们的关注,日益成为我国电力能源结构的重要组成部分。

在开发海上风电过程中,需要详细的风资源数据作为技术支撑,传统的固定式测风塔受到手续繁琐、造价昂贵、施工窗口期短等因素制约,而漂浮式雷达测风装置因其投放灵活、造价成本低越来越受到业界的关注。

从2009年开始,漂浮式雷达测风装置在欧洲国家陆续投入使用,提供了新的测风解决方案,目前欧洲有Wind Sentinel[2],SEA WATCH[3],Li DAR Wind Buoy[4]等8种浮标系统类型。此次运用的是德国Franuhofer I WES设计的Li DAR Wind Buoy浮标系统,在德国梅尔风电场已有使用记录,状况良好。国内雷达测风在陆上已有成熟运用,但之前尚未有海上漂浮式雷达使用的先例。2018年,中国长江三峡集团有限公司福建分公司购买了2台德国弗劳恩霍夫风能及能源系统技术研究院(Fraunhofer I WES)开发设计的漂浮式雷达测风装置。虽然这套设备在欧洲北海的海上风电场中投运多年,但中国尚属首次使用,测风数据的可靠性能否保证,需要进一步验证。

本研究以福清兴化湾样机试验风场作为实验地点,对漂浮式雷达测风装置与岛屿固定式测风塔就风速和风向进行了同步比对分析。

1 研究区域概况

1.1 研究区域位置

此次漂浮式雷达测风装置与固定式测风塔比对区域设置在福清兴化湾样机试验风场三塔屿附近。福清兴化湾样机试验风场位于福建省福清市江阴半岛东南侧和牛头尾西北侧,具体位置示意见图1。

图1 漂浮式雷达与实体测风塔位置关系图Fig.1 Relations bet ween the Fraunhofer I WES Buoys and the location of wind tower

1.2 研究区域风资源情况

福建省位于台湾海峡西岸,冬季盛行东北风,夏季盛行西南风,盛行风向频率冬季高于夏季[5]。热带气旋在西北太平洋地区频发,平均每年影响或登陆福建的台风达7个[6]。

福清兴化湾样机试验风场装机77.4 M W,场址中心距岸线约3.0 k m,平均水深4.8 m,总面积约33.2 k m2。根据风电场内所立测风塔测风资料,场址90 m高度风速为8.2 m/s,风功率密度为548.4 W/m2,风功率密度等级为5级,场址区域风能资源丰富。

风电场离海平面90 m高度代表年风向主要集中在NNE、NE,占全部风向的78.64%,风能主要集中在NNE、NE,占全部风能的89.57%以上,区域风向玫瑰图见图2。

图2 测风塔区域风速(m·s-1)、风向频率玫瑰图Fig.2 Rose diagra m of wind speed and wind direction frequency in wind tower area

1.3 测试比对时间

此次漂浮式雷达测风装置与固定式测风塔测试比对时间为2018-03-25—07-11。期间2018年8号台风玛莉亚在附近登陆,我们也一并对台风期间所测的风资源进行了分析比对。

2 漂浮式雷达测风装置参数

Fraunhofer漂浮式雷达测风装置能够测量周边0～200 m以内的风资源数据。此设备目前已被广泛应用在德国北海、丹麦西海岸以及苏格兰东海岸区域的海上风电场中。设备主体使用航标灯结构,完全密封设计,稳定性好。Fraunhofer漂浮式雷达测风装置搭配了多样化的供电方案和充足的电能储备,能够保障设备持续运行。该装置能够在不同气候条件和水深的海域布置,灵活度高。表1为Fraunhofer漂浮式雷达测风装置的基本性能。

图3为雷达测风装置示意图。设备组成包括激光雷达、风力发电机(主供电系统)、太阳能板(辅供电系统)、航标灯、GPS、气象站、GSM天线、雷达信号反射器、蓄电池以及各类传感器。

表1 Fr aunhofer漂浮式雷达测风装置性能Table 1 Perf or mances of t he Fraunhofer I WES Buoy

图3 雷达测风装置示意图Fig.3 Schematic diagram of Fraunhofer I WES buoys

3 测试方法

根据《风电场风能资源评估方法》[7],通过对数据完整性、合理性、相关性分析,研究雨、雾、台风、浪、流等复杂环境对雷达测风数据的影响,并对比分析研究传统机械式测风数据和漂浮式雷达测风数据,从而验证漂浮式雷达测风数据的可靠性。以下为测试方法的3个路径:

1)对收集到的2台雷达测风装置数据进行完整性、合理性和相关性验证。

2)对岛屿固定测风塔同期数据进行完整性、合理性和相关性验证。

3)通过对漂浮式雷达测风装置与固定测风塔同期验证数据对比,分析和研究不同高度逐时风速、风向相关性。

4 测试结果

4.1 完整性

从10,70,90和110 m共4个高度比对风速和风向数据(其中漂浮式雷达测风装置加上自身雷达离海面高度,最低的测风高度为13 m,故漂浮式雷达测风装置13 m高程测风数据与固定式测风塔的10 m高程测风数据进行比对)。经统计,固定式测风塔数据完整率为96.6%,两台漂浮式雷达测风装置的数据完整性也均达到93%以上(表2),符合文献[7]中关于测风有效数据完整率应达到90%的要求。

表2 测风设备观测完整率表Table 2 Data integrity rate of the Fraunhofer I WES Buoys and the wind tower

4.2 合理性

根据文献[7],选取风速、风向、平均风速变化、平均风速差值和平均风向差值五个维度,对各测风设备测试时段内的测风数据进行合理性验证,具体见表3。总体来说,本阶段固定式测风塔和两台漂浮式雷达测风装置的测风数据均满足合理性检验的要求。固定式测风塔在110 m高度风速数据不合理数略多,但漂浮式雷达测风装置数据在该高度数据正常,满足风能资源评估要求。

表3 测风数据合理性统计表Table 3 Statistics of wind data rationality

4.3 相关性

去除各测风设备不合理数据后,分别对各测风设备不同高度的实测风速数据进行相关性分析。固定式测风塔在不同高度风速具有良好的相关性,且整体各个通道测风数据准确度较高,数据可靠。其中10 m高度与其他高度的风速相关性略低。初步分析,主要是三塔屿的地表粗糙度对10 m高度的风速造成了一定影响。具体分析结果见表4和图4。

表4 固定式测风塔不同高度风速相关系数Table 4 Correlation coefficient of the wind speeds measured with fixed wind tower at different altitudes

图4 固定式测风塔不同高度风速相关性Fig.4 Correlation bet ween the wind speeds measured with fixed wind tower at different altitudes

漂浮式雷达测风装置1#不同高度风速具有良好的相关性,各个通道测风数据准确度较高,数据可靠。与固定式测风塔一样,13 m高度与其他高度的相关性略低。分析结果见表5和图5。

表5 漂浮式雷达1不同高度风速相关性分析表Table 5 Correlation analysis of t he wind speeds measured with Buoy 1#at different altitudes

图5 漂浮式雷达1不同高度风速相关性Fig.5 Correlation bet ween the wind speeds measured with Buoy 1#at different altitudes

漂浮式雷达测风装置2#不同高度风速具有良好的相关性,各个通道测风数据准确度较高,数据可靠。与其他测风设备的表现一致,13 m高度与其他高度风速相关性略低。分析结果见表6和图6。

表6 漂浮式雷达2不同高度风速相关系数Table 6 Correlation coefficient of the wind speeds measured with Buoy 2#at different altitudes

图6 漂浮式雷达2不同高度风速相关性Fig.6 Correlation bet ween the wind speeds measured with Buoy 2#at different altitudes

通过对比各测风设备自身不同高度相关性情况,可知除10/13 m高度外,其他高度的风速相关性均在0.99左右,说明测试处高空的风速相关性表现出色,但低空风速受地表粗糙度影响较大。通过各测风设备之间相同高度的相关性情况比较,可以得出3个测风设备的相关性较高,超过0.95(表7)。

表7 测试时段3个测风设备相同高度风速相关系数Table 7 Correlation coefficient of the wind speeds measured with t hree devices at different altitudes

4.4 风速情况

图7～图10为不同高度的10 min平均风速过程图,其中灰色线为固定式测风塔(风功率预测塔)所测风速,红色线为漂浮式雷达测风装置1#所测风速,蓝色线为漂浮式雷达测风装置2#所测风速。通过各测风设备在测试时段所测的风速情况分析,各设备所测的10 min平均风速在不同高度的趋势一致,相对偏差较小,其中漂浮式雷达测风装置1#所测的10 min平均风速数据存在个别时段偏低的情况,主要集中在05-13—20和06-24—07-08两个时间段。

图7 10和13 m高度10 min平均风速过程曲线图Fig.7 10 minutes averaged wind speeds measured at an altit ude of 10 and 13 m

图8 70 m高度10 min平均风速过程曲线图Fig.8 10 minutes averaged wind speed measured at an altitude of 70 m

图9 90 m高度10 min平均风速过程曲线图Fig.9 10 minutes averaged wind speed measured at an altitude of 90 m

图10 110 m高度10 min平均风速过程曲线图Fig.10 10 minutes averaged wind speed measured at an altitude of 110 m

4.5 风向情况

对各测风装置不同高度风向数据进行统计,各高度的风向一致性较好(图11),特别注意固定式测风塔70 m高度与其他高度似乎存在一定差别,结合风向时序分析认为风向数据集中在NNE～NE扇区过渡段,70 m统计差异是扇区划分方式导致,符合实际。

图11 不同高度风速(m·s-1)风向玫瑰图Fig.11 Rose diagrams of wind speed(m·s-1)and wind direction frequency at different altitudes

4.6 台风影响

在设备测试期间,经历了2018年8号台风“玛莉亚”。2018-07-04 T20:00,第8号台风“玛莉亚”在美国关岛以东洋面生成；07-08T05:00,台风“玛莉亚”以超强台风级出现在台湾省宜兰县东偏南方约1 930 k m的西北太平洋洋面上；07-11 T09:00,台风“玛莉亚”在福建连江黄岐半岛登陆(与测试地点直线距离约100 k m),登陆时中心附近最大风力有十四级(42 m/s),中心最低气压960 h Pa。综合考虑台风中心与测风设备距离以及台风强度变化对测风设备测风的影响,绘制台风生命周期过程中实测风向、风速、湍流与台风中心与测风设备距离以及台风强度时序图进行分析。

台风期间(07-04 T20:00—07-11 T09:00)各设备实测风速、风向、湍流强度变化趋势基本一致。随着台风中心至场址距离的减小,测风设备受到十级台风风圈的影响,实测风速变化较剧烈,但漂浮式雷达测风装置测到的风速峰值比岛屿固定式测风塔测到的峰值小(图12)；在台风接近测风设备的过程中,测风设备实测风向受台风影响出现明显变化,之后逐渐变化到受台风影响前的波动区间,测风设备实测风向受台风影响出现明显变化(图13)；当风向出现突变时,漂浮式雷达测风装置湍流强度较稳定,固定式测风塔湍流强度在短时间内变化较大(图14)。

图12 台风期间风速对比Fig.12 Co mparison of wind speeds measured with different devices during typhoon

图13 台风期间风向对比Fig.13 Co mparison of wind directions measured wit h different devices during typhoon

图14 台风期间湍流强度对比Fig.14 Tur bulence intensity measured wit h different devices during typhoon

5 结 语

为了验证漂浮式雷达测风装置的性能,通过在与岛屿固定式测风塔在测风数据的完整性、合理性、相关性进行比对,确认了漂浮式雷达测风装置所测风资源数据的可靠性。具体结论如下:

1)漂浮式雷达测风装置数据完整率超过90%,漂浮式雷达测风装置自身不同高度风速具有良好的相关性,与固定式测风塔在相同高度的风速相关系数范围为0.96～0.98,相关性高；

2)各测风设备各高度实测风速情况基本一致,测风数据过程线基本吻合,风向一致性较高；

3)漂浮式雷达测风装置在2018年8号台风“玛莉亚”影响期间正常测风,比较准确地记录了台风对风电场区域的环境影响,但所测风速峰值比固定式测风塔较小。