激光雷达测风的可靠性验证

袁红亮，陈 彬，刘 玮，宋俊博，王 炎

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

风能资源测量是风电开发过程中最重要的工作内容之一，主要包括风速和风向等气象要素的观测。随着技术的不断进步，风能资源测量手段也在不断更新。机械式测风设备与塔体构成的测风系统是通用、标准的测量方法，但是建设周期长、单点测量、拆除难度大、不能重复利用；微波雷达、多普勒声波雷达测风技术对大气环境要求高[1-3]。激光雷达测风作为近几年发展应用较快的新型测风技术，因其具有分辨率高、设备灵巧、环境适应性强、能快速投入观测、可测量高度高、适合多点同期观测等优点，在风电开发中有重要的应用价值[4-5]。

常用的激光雷达测风系统有国外Windcube、Galion和国内WindPrint、Molas等。其中，Windcube系统是由法国Leosphere公司研制的一套专业激光雷达测风系统，根据测量原理主要分为扫描式激光雷达(Windcube 100S/200S/400S)和垂直式激光雷达(Windcube V2)。扫描式激光雷达可以测量多个距离、任意方位目标点的径向风速，垂直式激光雷达可以自定义12个垂向测量高度，实现不同高度同一秒内的同步测量[6]，该套系统已在全球多个风电工程中得到应用。

激光雷达作为一种新型的风能资源测量技术，在用于风电工程测风之前，应先与机械式测风设备进行对比观测[7]，验证其可靠性，以确定其在该地区的适用性。本文以中国西北地区某大型风电基地中风功率预测塔作为实验，分别采用一台Windcube 200S和一台Windcube V2激光雷达与实验风功率预测塔开展同期对比测风工作，总结工程实践经验，为激光雷达在我国“三北”平坦地形风电场的应用提供工程实例。

1 激光雷达测风原理

1.1 Windcube 200S激光雷达原理

Windcube 200S采用 “外差法的多普勒频移激光探测和测距”技术。测量基本原理为：激光雷达将激光脉冲发射到大气中，脉冲激光波在大气传播的过程中，部分信号遇到空气中的微粒发生反向散射并引发信号的频移(被称为多普勒频移)，正比于粒子的径向风速。激光雷达接受反向散射信号，根据多普勒频移与空气微粒径向风速的关系计算出径向风速，实现对风速的测量。然后，将径向风速通过矢量分解为水平风速，再通过算数平均获得10 min或者1 h级的水平平均风速。

图1 Windcube 200S激光雷达测量原理

Windcube 200S共有4种扫描模式：PPI(方位角测量模式)，RHI(高度角测量模式)，DBS模式(垂直风廓线测量模式)和LOS模式(指定方位测量模式)。测量可以覆盖在整个半球空间(方位角0°～360°，高度角-10°～190°)。

1.2 Windcube V2激光雷达原理

Windcube V2采用激光脉冲多普勒频移原理：每次发射4束脉冲波，每列波束与垂直方向的夹角均为28°，各列波方位角相差90°，通过捕捉反射波，经外差检验法获得频移，由频移计算得到4个径向风速(多普勒频移1.3 MHz对应1 m/s的风速)，再进一步计算出各个高度的秒级水平风速。获得秒级数据后，通过矢量分解和算数平均计算得到10 min或者1 h级的水平风速。

图2 Windcube V2激光雷达测量原理

2 激光雷达测试方案

本文选择西北某大型风电基地中最靠近下风向的风电场作为激光雷达观测验证的实验风电场，区域主风向为东(E)风，激光雷达的主要选址原则包括：

(1) 雷达扫描范围近端应避免受到风电机组的遮挡，因此雷达放置应尽量远离风电机组。

(2) 扫描式激光雷达在运行中耗电较多，仅通过太阳能电池板无法提供足够电能，需要采用外接电源。因此雷达应尽量靠近风电机组，以便从风电机组接入电源。

(3) 雷达选址应考虑防洪问题，站址及电源路径均应避开冲沟。

按照上述原则，Windcube 200S激光雷达的选址于实验风电场最东侧一排中间2台风机的正中偏东位置，与风机的东西间距约260 m(3D)、南北距离约185 m(2D)。采用PPI模式和DBS模式，东向扫描方位角为45°～135°、西向扫描方位角为225°～315°，PPI模式高度角设置为1.1°、2.1°、3.5°，距离分辨率为75 m；DBS模式高度角为62.5°。1 h周期内，设备每隔10 min换方向扫描。设备站址相对位置及扫描区域范围示意见图3，垂直测量范围示意见图4。

图3 Windcube 200S激光雷达站址及扫描范围

图4 Windcube 200S垂直测量范围

为了使两款激光雷达进行同步对比观测，Windcube V2与Windcube 200S相邻布置，Windcube V2位于东侧，二者之间的距离为2 m。Windcube V2测量高度范围为50～210 m，共12个测量高度层。

3 激光雷达测风的可靠性验证

本文利用实验风电场5026号风功率预测塔与Windcube 200S和Windcube V2的同期观测数据，对激光雷达测风的可靠性进行验证。

Windcube 200S和Windcube V2设备均位于5026号塔东北方向约2.3 km，相对位置关系见图5。Windcube 200S是扫描式测量风速，采用其在5026号塔周边最近的4个测点数据与5026号塔测量数据进行相关性和差值对比分析；Windcube V2是垂向测量风速，采用其测量数据与5026号塔同高度测量数据进行相关性和差值对比分析。

图5 测风塔与激光雷达相对位置

3.1 两款激光雷达风速对比分析

本文选取两款激光雷达5月11日至5月12日2d同期测风数据进行对比分析验证。Windcube 200S与Windcube V2同期风速对比观测结果分析见表1和图6,可以看出Windcube 200S与Windcube V2激光雷达各高度相关系数均在0.976及以上，相关性非常好；两款激光雷达设备所测风速差最大值仅0.08 m/s，差值很小。说明两款设备风速测量结果一致性很高。

图6 Windcube 200S与Windcube V2各高度同期风速对比

表1 Windcube 200S(X)与Windcube V2(Y)风速同期对比观测结果分析表

3.2 Windcube 200S激光雷达测风验证

本文对Windcube 200S在5026号测风塔附近的4个测点逐10 min风速数据进行对比分析，测点编号为cft1、cft2、cft3和cft4，同期观测数据为8-18 0时—10-1 2时。激光雷达测点布置见图5。

(1) 测点数据分析

根据4个测风点同期数据进行分析。结果表明：各测点间风速差在0.02～0.11 m/s。其中上风向cft1与cft2风速较为接近，下风向cft3与cft4风速相差较大，可能与测风塔塔影影响有关，或者与雷达设备自身误差有关。另外，各测点相关系数均在0.985及以上，相关性非常好。各测点风速统计见表2，相关性统计见表3。

表2 各测点风速统计表

表3 各测风点相关性统计表

(2) 各测点与5026号塔相关性分析

对各测点分别与5026号塔同高度的同期数据进行对比分析，结果表明：各测点与5026号塔同期风速误差绝对值在0.016～0.087，误差百分数绝对值在0.27%～1.53%，ctf4测量结果相对偏大；同期数据相关性在0.970及以上，相关性很好。各测点与5026号塔风速比较统计见表4，相关性统计见表5。

表4 各测点与5026号塔风速比较表

表5 各测风点与5026号塔相关性统计表

3.3 Windcube V2激光雷达测风验证

根据收集到的8-18 0时—10-14 23时同期逐小时风速数据进行对比分析，结果表明：Windcube V2与5026号塔各高度相关性系数在0.971及以上，相关性非常好；两套设备50、70 m高度风速实测误差百分数超过3%，Windcube V2风速测量值偏大。Windcube V2与5026号塔50、70 m高度同期风速及相关性统计见表6。

表6 5026号(x)与Windcube V2(y)各高度相关性及同期风速统计表

3.4 激光雷达风向对比验证

根据收集到的5026号测风塔与Windcube 200S和Windcube V2激光雷达2008年5月11日0时至2009年3月31日23时同期70 m高度逐10 min风向数据进行对比分析，结果表明：Windcube 200S和Windcube V2两款激光雷达测得的风向与5026号塔风向一致性很高，均以东(E)风、西(W)风为主风向，其余各扇区风向频率也非常接近。

图7 测风塔与Windcube 200S、Windcube V2同期风向对比

3.5 激光雷达风廓线对比验证

根据收集到的5026号测风塔与Windcube 200S和Windcube V2激光雷达2008年5月11日0时至2009年3月31日23时同期各高度逐10 min风速数据进行对比分析，结果表明：Windcube 200S和Windcube V2两款激光雷达测得的风廓线与5026号塔风廓线变化趋势一致，风切变指数也非常接近。

图8 测风塔与Windcube 200S、Windcube V2同期风廓线对比

4 结 论

本文以我国西北地区某大型风电基地中的运行风电场作为实验，将风功率预测塔与两款激光雷达的测风结果进行了对比分析，验证了激光雷达测风的可靠性，得出以下结论：

(1) Windcube 200S与Windcube V2两款激光雷达的风速相关性在0.976及以上；风速差最大值为0.08 m/s。说明风速测量结果一致性很高。

(2) Windcube 200S与风功率预测塔的风速相关性在0.970及以上，风速误差百分数绝对值最大为1.53%。证明Windcube 200S的测量结果可靠。

(3) Windcube V2与风功率预测塔的风速相关性在0.971及以上，风速误差百分数超过3%，证明Windcube V2的测量数据稍微偏大。

(4) Windcube 200S和Windcube V2与风功率预测塔的风向一致，风廓线变化趋势一致。

通过对比分析可知，Windcube 200S、Windcube V2两款激光雷达与风功率预测塔风速风向测量成果具有很高的相关性和一致性，测量结果总体可靠，可以为同类型地区的激光雷达测风工作提供工程借鉴。