例谈海上风电场测风激光雷达对比观察测量的试验构建

【摘 要】为了对应用激光雷达设备在广东省风力发电有限公司的南海海上风电项目中开展海上测风的可行性进行评估，对在广东省境内粤西的海岸边开展激光雷达与传统测风塔的对比观测试验，以便于对激光雷达测风的测量精度、稳定性、适应性、可靠性等能否满足我国南海海上风电开发过程中风资源评估的要求进行验证，这能够为进一步应用激光雷达开展海上测风观测提供应用经验与理论依据。

【关键词】海上风电场测风;激光雷达;对比观察测量;试验构建

在风能应用中，随着风电机组日趋大型化，风机矗立得越来越高，特别在近海风电开发中，风电机组轮毂高度一般在80到100 米，叶片长度达到了50到70 米，满足其高度要求的测风塔的建设变得越来越困难且昂贵;而对于风机叶轮整个旋转平面内的风和湍流的精确测量，传统测风塔也具有了较大的局限性。因此，有必要寻求一种新的方法替代在传统测风塔上安装仪器进行风的测量，有着更远测量距离和无干扰测量的激光雷达就是一个很好的选择。

1 对比观察实验的基本原则

本次对比观测主要目的是验证激光雷达测风设备在观测精度、可靠性、稳定性、电源供给、安全性等各个方面是否能够达到常规观测仪器的标准，能否替代传统测风塔用于南海海上风能资源测量。因此，本次对比观测需要重点考虑的是激光雷达测风设备和传统测风塔观测到的风速为同一位置、同一高度的风速、风向。本次对比观测试验在场地选择、对比观测仪器选择、对比方案设计和资料筛选分析等方面参考丹麦RISO实验室的激光雷达测试规范，并满足IEC 61400-12-1中的相关规范要求;选址和对比观测方案充分考虑对比观测环境地形、地貌、周边障碍物影响、海陆界面粗糙度不同造成的风速分布和切变差异，同时考虑区域风速、风向随着季节变化的趋势，根据进行对比观测的时间选择测风塔和激光雷达测风设备的相对方位。

2 对比观测实验中所要用到的仪器与配置

本次观测实验中，拟建一座100米高的桁架式测风塔，设计及横臂长度满足IEC61400-12-1附录G中的规范要求。塔体采用圆钢格构式焊接结构，边宽800×800mm，节间采用法兰螺栓连接，塔身设计4层拉线，按水平120度夹角布置（如图1所示）。该类型测风塔设计安全风速为60m/s，抗震烈度为8度，垂直度为1：1000，具有结构轻巧，易于运输和安装，在现场环境下结构稳定及振动小等特点。

测风塔的测风设备选用美国NRG symphonie型测风仪和德国Ammonit Thies Compact型测风仪两种，记录仪采用METEO-40L（24个通道，实现秒级数据的存储）。NRG的主要参数指标如下：风速量程0～70m/s，风速误差<0.1m/s（5 ～25m/s），斜率为0.765，不确定度等级为Class 2.4A，Class 7.7B;风向量程0～360?，风向误差<0.1?;使用环境为-55°C～60 °C。Ammonit的主要参数指标为：风速量程0～50m/s，风速误差<0.1m，斜率为0.07881，不确定度等级为Class 0.9A，Class 3.0B;风向量程0～360?，风向误差<0.1?，无北向间歇效应;使用环境为-30°C～70 °C;采用测风仪采样时间间隔为1秒，激光雷达是以激光器为光源向大气发射激光，接收大气（气溶胶粒子和大气分子）的后向散射信号，通过分析发射激光的径向多普勒频移反演出风速，它与微波气象雷达、风廓线仪相比，最突出的优点就是“晴空”探测能力、高时空分辨率[8]。本次对比观测实验中，拟采用Windcube V2和Galion G250两款激光雷达进行测试，这两款雷达都是脉冲激光雷达，均采用VAD测量，即垂直轴扫描测量，对比的基本项目为50、60、80、100米四个高度的风速和风向。

3 观测位置的选择及设备的布置

对比观测场址的选择是实验方案确定中的核心内容，既要对于南海海上的风资源环境有较好的代表性，又要考虑到地址建设条件等可行性。选址需充分考虑对比观测环境地形、地貌、周边障碍物影响、海陆界面粗糙度不同造成的风速分布和切变差异，同时考虑区域风速、风向随着季节变化的趋势，根据进行对比观测的时间选择测风塔和激光雷达测风设备的相对方位。

激光雷达对比观测试验首先要保证场址的一致性，即传统测风塔要与激光雷达测风环境一致。需尽可能选择周边无障碍物影响、对比测试场地开阔、下垫面粗糙度小，与海洋测风环境相同或者相似。此外考虑进行对比观测所服务项目具体情况、以及对比观测所需资源条件。对本次对比观测拟候选2个参考点进行综合对比，如下表所示：

表1 参考点情况表

选项

参考点1

参考点2

观测环境

海滩总长约2km，海滩中心距离余脉约2km，距离山主峰约10km。整个海滩相对开阔平缓。向陆一侧分布有稀疏的2～3m高的树木。

整个海滩更加开阔平缓。海滩中心向西遍布养虾场，养虾场外缘距离海边约100m。向陆一侧分布有稀疏的2～3m高的树木和零星2～3层楼房。

与项目相对位置

与海上风电场最近距离约15km

与海上风电场最近距离约10km

安全保障

需人值守，安全可靠性一般

需人值守，安全可靠性一般

供电

附近有交流电源

附近有交流电源

运输条件

陆运可达

陆运可达

协调难度

需征地、协调当地

需征地、协调当地

建测风塔施工难度

较易

较易

其他

需建在离山稍远的地方，避免其对测风造成影响

场内西端为养虾池

参考点二，虽然观测环境在某些方面与海洋（近海）环境有一定差别，如粗糙度和周边障碍物情况，但是与实际海洋（近海）海面粗糙度情况差别较小，障碍物距离拟选位置相对较远。而且该点距离拟开发海上风电场相对较近，在气候特征相似性以及后续开展工作等角度也具有一定优势。优先推荐参考点二。

考虑到计划的测风时段应为2014年4月份以后，5月到8月该场址范围内风的风向参考点二最近的测风塔数据应为从海洋吹向陆地的夏季风，结合对比观测应达到尽量模拟真实海洋环境的目的，拟采取测风塔和激光雷达沿海岸线平行分布的形式。

图 1 测风塔和激光雷达布置相对位置示意图

4 实验数据的分析处理

对比的原始数据主要为传统测风塔和激光雷达测得的50米、60米、80米和100米4个高度层上的风向、风速以及湍流强度。在进行对比分析前需进行数据的检验和筛选以及样本的分类。数据的处理分为两步，第一步是按照常规的10min平均的数据进行处理，考察其相关性;第二步是根据测得的秒级的数据，确定合适的时间间隔平均，比如1min～5min内等进行对比，为进一步合理的利用激光雷达的高采样率的特性，确定合理的数据测量结果平均的时间间隔，研究不同时间尺度下湍流特性的测量结果的差异等提供依据。

常规的处理流程介绍如下：（1）数据检验和筛选，首先要进行多种观测数据的同步性调整，为了确保各种仪器记录的数据为同步观测的同一空气团的运动状况，需要对多种对比观测数据的同步性进行精准调整，调整顺序为：时制调整、数据采集时钟微调;然后要开展数据有效性的检验与样本的筛选，为了保证对比分析检验参数的可靠性和公正性，需要对对多种对比观测数据的有效性进行检验，筛选出实测数据有效率达到一定要求的样本数据;最后要开展样本的分类，依据不同风速条件下边界层风特性参数的不同特征表现，将测风数据分类为较大风速和小风速两类。以杯式测风仪10min 平均风速为基础，将0-4m/s 的风速数据划定为小风速样本，将≥6m/s 的风速数据划定为较大风速样本数据;根据脉冲激光雷达测风原理，考虑到降雨雨滴的大小、密度及其运动轨迹可能对激光等遥感式测风仪的影响，将测风数据分类为有、无降雨样本。收集对比观测试验期间气象站的降雨资料，对测风样本进行分类;（2）数据统计及对比分析方法，经样本检验和筛选后，对不同样本情况下的风速和风向进行对比分析，分析主要包括风速、风向、湍流强度和风廓线等的均值、最大值、最小值、标准偏差、拟合度、绝对和相对偏差、相关系数等;（3）质量控制，方案制定、场址选择、仪器选择符合IEC以及国家的相关规范，仪器使用前应进行严格标定;数据处理过程和分析过程邀请国家可再生能源质检体系进行审核;为提高对比观测试验的客观性，场地、仪器、验证结果等，邀请国家可再生能源质检体系进行验收。对比观测验证报告邀请中国水利水电规划设计总院评审。

5 结束语

本文就主要对南海海岸边所开展的激光雷达与传统测风塔的对比观测试验进行了简单分析，这能够为进一步应用激光雷达开展海上测风观测提供应用经验与理论依据。

参考文献：

[1]熊兴隆，闫朴，蒋立辉，庄子波.测风激光雷达应用于机场能见度及云底高探测[J].激光与红外，2010（8）.

[2]张芳沛，海中，胡永钊，沈严，邢宇华，李冬梅，张文平，韩文杰，窦飞飞.相干多普勒测风激光雷达[J].应用光学，2013（6）.

作者简介：

吴晓洲（1982-），男，工程师，从事风电项目开发管理工作。