短波频段内风电场对无线台站的信号干扰研究

焦思东

(国网山西省电力公司长治市供电公司, 山西 长治 046011)

0　引　言

短波频段的无线电台在军事、民用领域均起着重要的作用，其工作频率范围为3～30 MHz。风能作为我国能源战略的基础，同时也是可再生能源的重要组成部分，其开发和利用越来越受到国家的重视[1]。随着风电场建设项目规模的扩大和数量的增多，具有旋转叶片的大尺寸特征的风电机对雷达信号的干扰问题也越显突出。

现有风电机对无线系统的干扰研究集中于对雷达的影响，所用频段集中于特高频段及以上频段(0.3～30 GHz)，尚无针对短波频段(3～30 MHz)无线台站信号干扰的研究。如文献[2]采用圆柱体对风电机叶片及塔架进行了建模，对L波段(1 452～1 492 MHz)下的风电机RCS进行了计算。文献[3]计算了3 GHz下风电机完整旋转周期下的RCS值。文献[4]建立了风电机面模型，研究频段为C波段(3.7～4.2 GHz)。文献[5]针对实际中所使用的雷达1.5 GHz与3.6 GHz计算了风电机的RCS。

目前尚没有针对风电机对短波频段无线台站的干扰的研究。本文确定以风电机散射电场作为干扰的评估参量，针对短波的工作频段3～30 MHz，建立5基风电机风电场面模型，并且采用计算精度较高的矩量法对风电机的电磁散射场进行求解，为后续风电机对无线台站信号干扰的研究奠定了基础。

1　风电场散射场计算原理

风电场对无线台站的干扰原理如图1所示。当无线台站信号经过风电场时，风电场对无线台站信号而言可视为一种强散射体，特别是随着风电机单机容量的大幅提升，风电机尺寸也越来越大，加之风电机所形成的风电机阵列即风电场，导致风电场对雷达的干扰日益突出。

图1　风电场对无线台站信号干扰示意图

目前尚无风电场对无线台站的干扰评估参量，因此，将计算的风电场散射电场值作为干扰的评估参量。

2　风电场对无线台站信号干扰的计算

风电场电磁散射数学模型如图2所示，图2中存在2个坐标系，一个是直角坐标系(x，y，z)，另一个是球坐标系(r，，)。激励入射电磁波为Ei，风电场上任一点r'处，其感应电流密度为J(r')，风电场散射电场为Es。

图2　风电场对无线台站信号干扰模型

图2所示风电场面模型的电场积分方程为：

(1)

式中，g(r,r')为格林函数；t为单位切向矢量。运用矩量法对公式进行求解。

矩量法中要选择合适的基函数对模型进行离散，针对面模型采用RWG基函数对模型进行离散，代入风电场积分方程，从而最终求解风电场散射场。

3　风电场对无线台站信号干扰特性求解

3.1　风电场线模型的建立

图3为本文研究的风电场对短波波段信号干扰的RCS计算模型。采用生产实际中的典型风电场实例进行相应建模，该实例中风电场额定功率为2.5 MW，塔架高度为65 m，叶片半径为42 m，机舱长度为10 m。

短波信号与风电场之间电磁波的传播路径分为两种，一种是直接传播，另一种是大地作为媒介的间接传播，因此在计算结果中需考虑大地的散射结果。

图3　风电机求解面模型

3.2　仿真计算结果

在实际中风电机的偏航角是依据风向而由偏航系统做出调整的。根据风电场与无线台站位置的实际情况，设置0°、30°、60°、90°四种不同方向的无线台站位置，以模拟风电机实际偏航角度，如图4所示。同时，取(0,500,0)、(0,1 000,0)、(0,2 000,0)、(0,3 000,0)四个观测点对风电场电磁散射场进行观测，其计算结果如图5所示。

图4　风电场对无线台站信号干扰计算模型

图5　风电场散射电场值

从图5可以看出，在各偏航角度下，风电场散射电场值会发生较大变化，偏航角度在0°时，结果的波动较大，并且随着偏航角度0°～90°增大，波动频率逐渐变缓。这从电磁散射的角度可以进行解释，在不同的偏航角度下，激励源与风电场之间相对位置的变化导致了电磁散射情况的变化，从而使散射电场水平发生了变化。

表1　风电场散射电场最大值　单位：V/m

表1为风电场散射电场的最大值，结合图5，可以直观看出，随着观测点距风电场的距离越远，散射电场最大值也在下降。图5中观测点为500 m时，各偏航角度下的电场值波动剧烈，并且波动间隔较短，但观测点为3 000 m处时，其波动放缓，波动间隔变大，相比于500 m时，其电场最大值减小了0.24 V/m。

4　结　论

(1)本文针对不同距离观测点处的干扰水平进行了计算，为后续风电场干扰防护间距的求解提供了研究基础。

(2)风电场对无线台站信号的干扰情况在不同偏航角下会发生较大变化。

(3)从当前研究看，风电场偏航角度变化对干扰水平的影响较复杂，其具体影响还需进一步讨论研究。

参考文献：

[1]Lewke B, Kindersberger J, Stromberger J,etal. MoM-based EMI analysis on large wind turbines[C].EMC, Singapore, 2008: 196-199.

[2]Tennant A, Chambers B. Radar signature control of wind turbine generators[C].Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE, Washington, USA, 2005: 489-492.

[3]Senem Makal Yucedag, Okan Mert Yucedag, Huseyin Avni Serim. Analytical method for monostatic radar cross section calculation of a perfectly conducting wind turbine model located over dielectric lossy half space[J]. IET Radar, Sonar and Navigation, 2014, 8(8): 965-970.

[4]Tran Vu La, François LePennec, Christophe Vaucher. Small wind turbine generic model design for BTS radio interaction studies[C].24th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications: Fundamentals and PHY Track, IEEE, London, UK, 2013: 866-870.

[5]Aniceto Belmonte, Xavier Fabregas. Analysis of wind turbines blockage on doppler weather radar beams[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2010,(9): 670-673.

[6]Gallardo-Hernando B, Munoz-Ferreras J.M, Perez-Martinez F, Aguado-Encabo F. Wind turbine clutter observations and theoretical validation for meteorological radar applications[J]. IET Radar, Sonar and Navigation, 2011, 5(2): 111-117.