激光雷達(dá)在不同地形條件下進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估的適用性研究

侯金鎖，王 冠，陳 瑋，趙 潔

（上海能源科技發(fā)展有限公司，上海 200233）

0 引言

風(fēng)電作為主要的清潔能源之一，為構(gòu)建現(xiàn)代能源體系發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，風(fēng)能資源評(píng)估的有效技術(shù)手段是數(shù)值模擬技術(shù)與風(fēng)能資源測(cè)量相結(jié)合[1]，[2]。隨著我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，復(fù)雜山地風(fēng)電場(chǎng)、尾流效應(yīng)顯著的大基地風(fēng)電場(chǎng)和海上風(fēng)電場(chǎng)越來(lái)越多，風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔數(shù)量不足、測(cè)風(fēng)塔代表性差導(dǎo)致的風(fēng)資源評(píng)估不準(zhǔn)確等問(wèn)題日 益 突 出[3]。

增加測(cè)風(fēng)塔的數(shù)量可以有效增強(qiáng)源區(qū)代表性，使風(fēng)資源評(píng)估更加精準(zhǔn)化。在風(fēng)能應(yīng)用中，風(fēng)電機(jī)組日趨大型化，風(fēng)機(jī)輪轂高度目前多在90～120m，葉輪直徑達(dá)120～160m，滿足此高度要求的測(cè)風(fēng)塔不僅成本高，施工周期長(zhǎng)，而且壽命較短，一旦建成就無(wú)法移動(dòng)。一種替代在測(cè)風(fēng)塔上安裝儀器進(jìn)行風(fēng)測(cè)量的新方法，即有著較高垂直分辨率的激光雷達(dá)作為新型測(cè)風(fēng)手段已在風(fēng)電行業(yè)扮演越來(lái)越重要的角色[4]。目前國(guó)內(nèi)用于補(bǔ)充測(cè)風(fēng)的激光雷達(dá)主要是LEOSPHERE公司研發(fā)推出的WindCube激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，其測(cè)量原理為激光脈沖多普勒頻移。國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行過(guò)一些WindCube激光雷達(dá)與傳統(tǒng)杯型測(cè)風(fēng)儀的同步觀測(cè)對(duì)比分析試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地多為平坦地形，試驗(yàn)結(jié)果表明WindCube測(cè)量數(shù)據(jù)有效率較高，與測(cè)風(fēng)塔測(cè)量結(jié)果 的 相 關(guān) 性 較 好[5]，[6]。

使用激光雷達(dá)評(píng)估風(fēng)資源，應(yīng)注意雷達(dá)技術(shù)水平和應(yīng)用條件限制，才能合理地達(dá)到測(cè)量效果。本文對(duì)復(fù)雜山地、平原、沿海3種地形條件下的WindCube激光雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔的同步觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，分析激光雷達(dá)各高度有效數(shù)據(jù)的完整率和準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了WindCube激光雷達(dá)在不同地形條件下的適用性和不同測(cè)量高度下的準(zhǔn)確性，進(jìn)而探討了激光雷達(dá)代替測(cè)風(fēng)塔評(píng)估風(fēng)資源的可行性。

1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)及數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間

各激光雷達(dá)均安裝于測(cè)試場(chǎng)盛行風(fēng)的上風(fēng)向處，以避免受測(cè)風(fēng)塔的塔影效應(yīng)影響。復(fù)雜山地實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省南陽(yáng)市南召縣與魯山縣交界處，激光雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔直線距離約為7m，同步觀測(cè)時(shí)間為20180420T000000-20180609T235000。平坦地形實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于河北省張家口市張北縣，激光雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔直線距離約為15m，同步觀測(cè)時(shí)間為20180112T135000-20180129T235000。沿海地區(qū)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于深圳市寶安區(qū)海岸線附近，激光雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔直線距離約為50m，同步觀測(cè)時(shí)間為20190401T000000-20190430T235000。

2 WindCube激光雷達(dá)測(cè)量原理

激光雷達(dá)發(fā)射短激光脈沖，通過(guò)大氣氣溶膠（大氣中的固體微粒和液體微粒）反射激光，探測(cè)高度與激光脈沖來(lái)回時(shí)間是線性關(guān)系?？臻g中風(fēng)的矢量結(jié)構(gòu)測(cè)量假設(shè)條件：同高度的風(fēng)是均勻的，并且在4個(gè)方向探測(cè)時(shí)，風(fēng)速是相同的[7]。Wind-Cube激光雷達(dá)測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 WindCube激光雷達(dá)測(cè)量原理Fig.1 Measurement principle of WindCube lidar

3 儀器設(shè)置及數(shù)據(jù)處理

3.1 測(cè)量高度及儀器性能

WindCube激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量為0～70m/s，設(shè)計(jì)測(cè)量精度為0.1m/s，數(shù)據(jù)采樣率1s，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為1s實(shí)測(cè)值和10min數(shù)據(jù)平均值。測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速測(cè)量為0～70m/s，設(shè)計(jì)測(cè)量精度為0.1m/s，測(cè)風(fēng)采樣率1s，輸出10min數(shù)據(jù)平均值。WindCube激光雷達(dá)參數(shù)見表1。

表1 WindCube參數(shù)Table1 WindCube performances ＆ specification

續(xù)表1

復(fù)雜山地測(cè)風(fēng)塔對(duì)比觀測(cè)高度為90m和100m，平坦地形測(cè)風(fēng)塔對(duì)比觀測(cè)高度為85，90，100m和120m；沿海地區(qū)測(cè)風(fēng)塔對(duì)比觀測(cè)高度為40，50，80，100，150，160，250m和300m。

3.2 WindCube有效數(shù)據(jù)完整率

GB/T18710—2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》定義有效數(shù)據(jù)完整率為有效數(shù)據(jù)數(shù)目（應(yīng)測(cè)數(shù)目與缺測(cè)數(shù)目、無(wú)效數(shù)據(jù)數(shù)目的差）和應(yīng)測(cè)數(shù)目之比。按國(guó)標(biāo)要求，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的有效測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)完整率應(yīng)達(dá)到90%。

目前，風(fēng)機(jī)輪轂高度一般在90～120m，主流風(fēng)資源評(píng)估采用輪轂高度處風(fēng)速進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算。WindCube激光雷達(dá)在復(fù)雜山地120m以下有效數(shù)據(jù)完整率在91%以上，平坦地形120m以下有效數(shù)據(jù)完整率在98%以上，沿海地區(qū)120m以下有效數(shù)據(jù)完整率在96%以上。

從整體來(lái)看，WindCube激光雷達(dá)有效數(shù)據(jù)完整率隨測(cè)量高度的升高而逐漸降低。不同地形條件下，WindCube各高度的有效數(shù)據(jù)完整率均在90%以上，能滿足風(fēng)能資源評(píng)估要求。

從不同地形來(lái)看，當(dāng)WindCube激光雷達(dá)測(cè)量高度一致時(shí)，沿海地形的有效數(shù)據(jù)完整率最高，平坦地形次之，有效數(shù)據(jù)完整率最差的為復(fù)雜山地。分析復(fù)雜山地有效數(shù)據(jù)完整率較低的原因發(fā)現(xiàn)，同步觀測(cè)時(shí)段內(nèi)大霧天氣較多?？赡苁軞馊苣z濃度影響，氣溶膠粒子的散射與吸收效應(yīng)抑制雷達(dá)性能，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失[8]。

霧對(duì)激光雷達(dá)測(cè)量有效數(shù)據(jù)完整率的影響如圖2所示。

圖2 霧對(duì)激光雷達(dá)有效數(shù)據(jù)完整率的影響Fig.2 Effect of fog on WindCube valid data integrity rate

4 統(tǒng)計(jì)方法

4.1 相關(guān)系數(shù)

皮 爾 森 相 關(guān) 系 數(shù) （Pearson correlation coefficient）用來(lái)反映兩個(gè)變量X和Y的線性相關(guān)程度。估算樣本的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差，可得到樣本相關(guān)系數(shù)r（皮爾森相關(guān)系數(shù)）。

4.2 相對(duì)偏差

平均偏差與標(biāo)準(zhǔn)值之比為相對(duì)偏差，在此用于表征WindCube和測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)之偏差的離散度。離散程度小，說(shuō)明兩類儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的偏差比較穩(wěn)定。平均風(fēng)速的相對(duì)偏差A(yù)ws為

式中：uwindcube為WindCube激光雷達(dá)10min平均風(fēng)速；umast為測(cè)風(fēng)塔10min平均風(fēng)速。

4.3 風(fēng)廓線

風(fēng)廓線用以描述風(fēng)隨高度的變化情況，在此指風(fēng)速隨高度的變化形態(tài)。在中性大氣層結(jié)下，對(duì)數(shù)和冪指數(shù)方程都可以較好地描述風(fēng)速的垂直廓線，本文采用冪指數(shù)公式。

式 中：V2為 高 度Z2處 的 風(fēng) 速，m/s；V1為 高 度Z1處的風(fēng)速，m/s；α為風(fēng)切變指數(shù)，表征風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律。

5 WindCube和測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

5.1 平均風(fēng)速偏差分析

復(fù)雜山地下WindCube激光雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔對(duì)比觀測(cè)高度為90m和100m，其對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 復(fù)雜地形WindCube與測(cè)風(fēng)雷達(dá)平均風(fēng)速對(duì)比Table2 Comparison of average wind speed between WindCube and windmast in complex terrain

平坦地形WindCube激光雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔對(duì)比觀測(cè)高度為85，90，100m和120m，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 平坦地形WindCube與測(cè)風(fēng)雷達(dá)平均風(fēng)速對(duì)比Table3 Comparison of average wind speed between WindCube and windmast in plains

沿海地形WindCube激光雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔對(duì)比 觀 測(cè) 高 度 為40，50，80，100，150，160，200，250m和300m，對(duì)比結(jié)果如表4所示。由表4可知：WindCube雷達(dá)在300m高度處測(cè)量數(shù)據(jù)失真，使用時(shí)剔除；在其他高度處的數(shù)據(jù)平均偏差均小于1%。

表4 沿海地形WindCube與測(cè)風(fēng)雷達(dá)平均風(fēng)速對(duì)比Table4 Comparison of average wind speed between WindCube and windmast in coastal terrain

5.2 平均風(fēng)廓線對(duì)比

圖3為不同地形條件下WindCube與測(cè)風(fēng)塔同步觀測(cè)風(fēng)速值擬合的風(fēng)廓線。由圖3可知：在對(duì)比觀測(cè)高度范圍內(nèi)，兩類儀器得到的平均風(fēng)廓線形狀較為接近，但在數(shù)值上存在差異；復(fù)雜山地90～100m，WindCube擬合的冪指數(shù)值比測(cè)風(fēng)塔擬合的冪指數(shù)值高0.076；平坦地形85～120m，WindCube擬合的冪指數(shù)值比測(cè)風(fēng)塔擬合的冪指數(shù)值高0.029；沿海地形40～250m，WindCube擬合的冪指數(shù)值比測(cè)風(fēng)塔擬合的冪指數(shù)值高0.020。

圖3 不同地形條件下WindCube和測(cè)風(fēng)塔風(fēng)廓線對(duì)比圖Fig.3 Comparison of wind speed profiles between WindCube and wind mast under various conditions

5.3 相關(guān)性分析

選取代表性高度對(duì)Windcube與測(cè)風(fēng)塔兩種儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。復(fù)雜地形代表高度選取90m和100m，平坦地形代表高度選取90m和120m，沿海地形代表高度選取100m和150m。表5，6分別為不同地形條件下WindCube與測(cè)風(fēng)雷達(dá)風(fēng)速相關(guān)性和風(fēng)向相關(guān)性對(duì)比結(jié)果。

表5 不同地形條件下WindCube與測(cè)風(fēng)雷達(dá)風(fēng)速相關(guān)性對(duì)比Table5 Wind speed correlation analysis between WindCube and wind mast

表6 不同地形條件下WindCube與測(cè)風(fēng)雷達(dá)風(fēng)向相關(guān)性分析對(duì)比Table6 Wind direction correlation analysis between WindCube and wind mast

由表5，6可知：復(fù)雜山地90，100m觀測(cè)高度WindCube與測(cè)風(fēng)塔兩種儀器測(cè)量的風(fēng)速相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)在0.89以上；平坦地形90，120m觀測(cè)高度Windcube與測(cè)風(fēng)塔兩種儀器測(cè)量的風(fēng)速相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)在0.85以上；沿海地形100，150m觀測(cè)高度Windcube與測(cè)風(fēng)塔測(cè)量風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)在0.89～0.91，風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)在0.83以上。

6 結(jié)論

本文對(duì)復(fù)雜山地、平原、沿海3種地形條件下WindCube激光雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔的同步觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證WindCube激光雷達(dá)在不同地形和不同測(cè)量高度條件下代替測(cè)風(fēng)塔評(píng)估風(fēng)資源的可行性，通過(guò)對(duì)同步觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

①3種地形條件下，WindCube測(cè)量高度越高，有效數(shù)據(jù)完整率越低。在90～120m輪轂高度，有效數(shù)據(jù)完整率均在90%以上，滿足風(fēng)能資源評(píng)估要求。

②從不同地形來(lái)看，風(fēng)速、風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)由高到低依次為平坦地形、復(fù)雜山地和沿海地形。在輪轂高度范圍內(nèi)，平坦地形、復(fù)雜山地風(fēng)速相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99以上，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)為0.85～0.90；沿海地形風(fēng)速相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90以上，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.90左右。

③輪轂高度為90～120m，在復(fù)雜山地、平坦地形條件下，WindCube與測(cè)風(fēng)塔測(cè)得的10min平均風(fēng)速偏差較小，在0.1m/s以內(nèi)，相對(duì)偏差在1%左右。在復(fù)雜山地和平坦地形，WindCube可代替測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估。沿海地形條件下，WindCube與測(cè)風(fēng)塔測(cè)得的10min平均風(fēng)速偏差較大，達(dá)0.5m/s，相對(duì)偏差在10%左右。在沿海地區(qū)，受下墊面影響，WindCube替代測(cè)風(fēng)塔的可行性應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)一步評(píng)估。