例談海上風(fēng)電場測風(fēng)激光雷達對比觀察測量的試驗構(gòu)建【摘要】為了對應(yīng)用激光雷達設(shè)備在廣東省風(fēng)力發(fā)電有限公司的南海海上風(fēng)電項目中開展海上測風(fēng)的可行性進行評估，對在廣東省境內(nèi)粵西的海岸邊開展激光雷達與傳統(tǒng)測風(fēng)塔的對比觀測試驗，以便于對激光雷達測風(fēng)的測量精度、穩(wěn)定性、適應(yīng)性、可靠性等能否滿足我國南海海上風(fēng)電開發(fā)過程中風(fēng)資源評估的要求進行驗證，這能夠為進一步應(yīng)用激光雷達開展海上測風(fēng)觀測提供應(yīng)用經(jīng)驗與理論依據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】海上風(fēng)電場測風(fēng);激光雷達;對比觀察測量;試驗構(gòu)建在風(fēng)能應(yīng)用中，隨著風(fēng)電機組日趨大型化，風(fēng)機矗立得越來越高，特別在近海風(fēng)電開發(fā)中，風(fēng)電機組輪轂高度一般在80到100米，葉片長度達到了50到70米，滿足其高度要求的測風(fēng)塔的建設(shè)變得越來越困難且昂貴;而對于風(fēng)機葉輪整個旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的風(fēng)和湍流的精確測量，傳統(tǒng)測風(fēng)塔也具有了較大的局限性。因此，有必要尋求一種新的方法替代在傳統(tǒng)測風(fēng)塔上安裝儀器進行風(fēng)的測量，有著更遠測量距離和無干擾測量的激光雷達就是一個很好的選擇。1對比觀察實驗的基本原則本次對比觀測主要目的是驗證激光雷達測風(fēng)設(shè)備在觀測精度、可靠性、穩(wěn)定性、電源供給、安全性等各個方面是否能夠達到常規(guī)觀測儀器的標準，能否替代傳統(tǒng)測風(fēng)塔用于南海海上風(fēng)能資源測量。因此，本次對比觀測需要重點考慮的是激光雷達測風(fēng)設(shè)備和傳統(tǒng)測風(fēng)塔觀測到的風(fēng)速為同一位置、同一高度的風(fēng)速、風(fēng)向。本次對比觀測試驗在場地選擇、對比觀測儀器選擇、對比方案設(shè)計和資料篩選分析等方面參考丹麥RISO實驗室的激光雷達測試規(guī)范，并滿足IEC61400-12-1中的相關(guān)規(guī)范要求;選址和對比觀測方案充分考慮對比觀測環(huán)境地形、地貌、周邊障礙物影響、海陸界面粗糙度不同造成的風(fēng)速分布和切變差異，同時考慮區(qū)域風(fēng)速、風(fēng)向隨著季節(jié)變化的趨勢，根據(jù)進行對比觀測的時間選擇測風(fēng)塔和激光雷達測風(fēng)設(shè)備的相對方位。2對比觀測實驗中所要用到的儀器與配置本次觀測實驗中，擬建一座100米高的桁架式測風(fēng)塔，設(shè)計及橫臂長度滿足IEC61400-12-1附錄G中的規(guī)范要求。塔體采用圓鋼格構(gòu)式焊接結(jié)構(gòu)，邊寬800×800mm，節(jié)間采用法蘭螺栓連接，塔身設(shè)計4層拉線，按水平120度夾角布置（如圖1所示）。該類型測風(fēng)塔設(shè)計安全風(fēng)速為60m/s，抗震烈度為8度，垂直度為1：1000，具有結(jié)構(gòu)輕巧，易于運輸和安裝，在現(xiàn)場環(huán)境下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及振動小等特點。測風(fēng)塔的測風(fēng)設(shè)備選用美國NRGsymphonie型測風(fēng)儀和德國AmmonitThiesCompact型測風(fēng)儀兩種，記錄儀采用METEO-40L（24個通道，實現(xiàn)秒級數(shù)據(jù)的存儲）。NRG的主要參數(shù)指標如下：風(fēng)速量程0～70m/s，風(fēng)速誤差<0.1m/s（5～25m/s），斜率為0.765，不確定度等級為Class2.4A，Class7.7B;風(fēng)向量程0～360?，風(fēng)向誤差<0.1?;使用環(huán)境為-55°C～60°C。Ammonit的主要參數(shù)指標為：風(fēng)速量程0～50m/s，風(fēng)速誤差<0.1m，斜率為0.07881，不確定度等級為Class0.9A，Class3.0B;風(fēng)向量程0～360?，風(fēng)向誤差<0.1?，無北向間歇效應(yīng);使用環(huán)境為-30°C～70°C;采用測風(fēng)儀采樣時間間隔為1秒，激光雷達是以激光器為光源向大氣發(fā)射激光，接收大氣（氣溶膠粒子和大氣分子）的后向散射信號，通過分析發(fā)射激光的徑向多普勒頻移反演出風(fēng)速，它與微波氣象雷達、風(fēng)廓線儀相比，最突出的優(yōu)點就是“晴空”探測能力、高時空分辨率[8]。本次對比觀測實驗中，擬采用WindcubeV2和GalionG250兩款激光雷達進行測試，這兩款雷達都是脈沖激光雷達，均采用VAD測量，即垂直軸掃描測量，對比的基本項目為50、60、80、100米四個高度的風(fēng)速和風(fēng)向。3觀測位置的選擇及設(shè)備的布置對比觀測場址的選擇是實驗方案確定中的核心內(nèi)容，既要對于南海海上的風(fēng)資源環(huán)境有較好的代表性，又要考慮到地址建設(shè)條件等可行性。選址需充分考慮對比觀測環(huán)境地形、地貌、周邊障礙物影響、海陸界面粗糙度不同造成的風(fēng)速分布和切變差異，同時考慮區(qū)域風(fēng)速、風(fēng)向隨著季節(jié)變化的趨勢，根據(jù)進行對比觀測的時間選擇測風(fēng)塔和激光雷達測風(fēng)設(shè)備的相對方位。激光雷達對比觀測試驗首先要保證場址的一致性，即傳統(tǒng)測風(fēng)塔要與激光雷達測風(fēng)環(huán)境一致。需盡可能選擇周邊無障礙物影響、對比測試場地開闊、下墊面粗糙度小，與海洋測風(fēng)環(huán)境相同或者相似。此外考慮進行對比觀測所服務(wù)項目具體情況、以及對比觀測所需資源條件。對本次對比觀測擬候選2個參考點進行綜合對比，如下表所示：表1參考點情況表選項參考點1參考點2觀測環(huán)境海灘總長約2km，海灘中心距離余脈約2km，距離山主峰約10km。整個海灘相對開闊平緩。向陸一側(cè)分布有稀疏的2～3m高的樹木。整個海灘更加開闊平緩。海灘中心向西遍布養(yǎng)蝦場，養(yǎng)蝦場外緣距離海邊約100m。向陸一側(cè)分布有稀疏的2～3m高的樹木和零星2～3層樓房。與項目相對位置與海上風(fēng)電場最近距離約15km與海上風(fēng)電場最近距離約10km安全保障需人值守，安全可靠性一般需人值守，安全可靠性一般供電附近有交流電源附近有交流電源運輸條件陸運可達陸運可達協(xié)調(diào)難度需征地、協(xié)調(diào)當?shù)匦枵鞯?、協(xié)調(diào)當?shù)亟y風(fēng)塔施工難度較易較易其他需建在離山稍遠的地方，避免其對測風(fēng)造成影響場內(nèi)西端為養(yǎng)蝦池參考點二，雖然觀測環(huán)境在某些方面與海洋（近海）環(huán)境有一定差別，如粗糙度和周邊障礙物情況，但是與實際海洋（近海）海面粗糙度情況差別較小，障礙物距離擬選位置相對較遠。而且該點距離擬開發(fā)海上風(fēng)電場相對較近，在氣候特征相似性以及后續(xù)開展工作等角度也具有一定優(yōu)勢。優(yōu)先推薦參考點二?？紤]到計劃的測風(fēng)時段應(yīng)為2014年4月份以后，5月到8月該場址范圍內(nèi)風(fēng)的風(fēng)向參考點二最近的測風(fēng)塔數(shù)據(jù)應(yīng)為從海洋吹向陸地的夏季風(fēng)，結(jié)合對比觀測應(yīng)達到盡量模擬真實海洋環(huán)境的目的，擬采取測風(fēng)塔和激光雷達沿海岸線平行分布的形式。圖1測風(fēng)塔和激光雷達布置相對位置示意圖4實驗數(shù)據(jù)的分析處理對比的原始數(shù)據(jù)主要為傳統(tǒng)測風(fēng)塔和激光雷達測得的50米、60米、80米和100米4個高度層上的風(fēng)向、風(fēng)速以及湍流強度。在進行對比分析前需進行數(shù)據(jù)的檢驗和篩選以及樣本的分類。數(shù)據(jù)的處理分為兩步，第一步是按照常規(guī)的10min平均的數(shù)據(jù)進行處理，考察其相關(guān)性;第二步是根據(jù)測得的秒級的數(shù)據(jù)，確定合適的時間間隔平均，比如1min～5min內(nèi)等進行對比，為進一步合理的利用激光雷達的高采樣率的特性，確定合理的數(shù)據(jù)測量結(jié)果平均的時間間隔，研究不同時間尺度下湍流特性的測量結(jié)果的差異等提供依據(jù)。常規(guī)的處理流程介紹如下：（1）數(shù)據(jù)檢驗和篩選，首先要進行多種觀測數(shù)據(jù)的同步性調(diào)整，為了確保各種儀器記錄的數(shù)據(jù)為同步觀測的同一空氣團的運動狀況，需要對多種對比觀測數(shù)據(jù)的同步性進行精準調(diào)整，調(diào)整順序為：時制調(diào)整、數(shù)據(jù)采集時鐘微調(diào);然后要開展數(shù)據(jù)有效性的檢驗與樣本的篩選，為了保證對比分析檢驗參數(shù)的可靠性和公正性，需要對對多種對比觀測數(shù)據(jù)的有效性進行檢驗，篩選出實測數(shù)據(jù)有效率達到一定要求的樣本數(shù)據(jù);最后要開展樣本的分類，依據(jù)不同風(fēng)速條件下邊界層風(fēng)特性參數(shù)的不同特征表現(xiàn)，將測風(fēng)數(shù)據(jù)分類為較大風(fēng)速和小風(fēng)速兩類。以杯式測風(fēng)儀10min平均風(fēng)速為基礎(chǔ)，將0-4m/s的風(fēng)速數(shù)據(jù)劃定為小風(fēng)速樣本，將≥6m/s的風(fēng)速數(shù)據(jù)劃定為較大風(fēng)速樣本數(shù)據(jù);根據(jù)脈沖激光雷達測風(fēng)原理，考慮到降雨雨滴的大小、密度及其運動軌跡可能對激光等遙感式測風(fēng)儀的影響，將測風(fēng)數(shù)據(jù)分類為有、無降雨樣本。收集對比觀測試驗期間氣象站的降雨資料，對測風(fēng)樣本進行分類;（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計及對比分析方法，經(jīng)樣本檢驗和篩選后，對不同樣本情況下的風(fēng)速和風(fēng)向進行對比分析，分析主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強度和風(fēng)廓線等的均值、最大值、最小值、標準偏差、擬合度、絕對和相對偏差、相關(guān)系數(shù)等;（3）質(zhì)量控制，方案制定、場址選擇、儀器選擇符合IEC以及國家的相關(guān)規(guī)范，儀器使用前應(yīng)進行嚴格標定;數(shù)據(jù)處理過程和分析過程邀請國家可再生能源質(zhì)檢體系進行審核;為提高對比觀測試驗的客觀性，場地、儀器、驗證結(jié)果等，邀請國家可再生能源質(zhì)檢體系進行驗收。對比觀測驗證報告邀請中國水利水電規(guī)劃設(shè)計總院評審。5結(jié)束語本文就主要對南海海岸邊所開展的激光雷達與傳統(tǒng)