海上风电场电磁特性试验

袁汉钦，田贤峰

(1.海装上海局合肥地区军事代表室，安徽 合肥 230031;2.安徽博微长安电子有限公司，安徽 六安 237000)

0 引 言

海上风电场建设项目的规模和数量不断增加，影响了岸基雷达和低空监视雷达的探测能力，主要影响包括电磁辐射引起的背景噪声抬高、发电机组反射产生的真假回波、发电机组遮挡带来的探测性能衰减、风叶旋转带来的多普勒频谱展宽等[1-2]。

在理论分析的基础上，开展了大丰海域海上风电场大功率信号源测试和电磁环境测试，主要通过车载大功率信号源对海上风电场照射，在风电场区域对信号测试，测试后的数据与理论数据比对，同时在关闭信号源的情况下，测试升压站和风电场周边的电磁特性信号。

1 试验目的和试验方法

试验目的：收集海上风电场的电磁辐射特性，为海上风电场对岸基观通雷达站、船舶AIS、短波通讯电台等电子设备工作性能的影响分析提供依据，并为风电场安装安防设备提供数据支撑。

试验地点：江苏盐城大丰港岸上及附近海域。

图1所示3条轨迹的点分别为船舶向风电场方向的主要测量点，船舶返回码头时的主要测量点以及信号源坐标点。

图1 试验设备布设示意图

在大功率信号源开机状态，分别在远离海上风电机、风电场中心及前后，海上风机与大功率信号源架设点连线上的多个位置，利用频谱仪分别测量大功率信号源的电磁辐射信号强度。频谱仪采用Max-Hold最大保持状态测试，并保存数据。频谱仪RBW设置为1 MHz，VBW为300 kHz，频谱仪参考电平10 dBm[3]。

大功率信号源参数设置如表1所示。

表1 大功率信号源参数设置

1.1 大功率信号源测试数据

在信号源发射信号状态下，测量电磁辐射特性，大功率信号源在驶向风电场阶段工作在S波段，部分测试采用喇叭天线HD-10180HTDRHAT2F。S波段测试数据如表2所示。

表2 S波段测试数据记录表

在信号源发射信号状态下，测量电磁辐射特性。全部测试采用喇叭天线SAS-571，搭配HTPRE8001放大器，工作在X波段。测试数据如表3所示。

表3 X波段测试数据记录表

在信号源发射信号状态下，工作在C波段，测量电磁辐射特性，全部测试采用喇叭天线SAS-571，测试数据如表4所示。

表4 C波段测试数据记录表

1.2 海上升压站电磁环境测试

船行驶至海上升压站正面，利用频谱仪分别测试升压站附近电磁环境，频谱仪采用Max-Hold最大保持状态测试，并保存数据。

升压站附近微波频段的干扰信号主要是电信信号，升压站自身产生的主要是MHz以下的工频信号，对通信和雷达工作不会产生影响。海上升压站电磁环境数据记录如表5所示。

表5 海上升压站电磁环境数据记录表

2 风电场电磁场仿真

图2为雷达照射风电场遮挡海域的示意图，当风电场不存在时，任意观察点robs处的电场可以由自由空间电磁波的传播规律直接计算得到[4-5]:

(1)

式中：E0为雷达天线处辐射电场极化；Gt(θ,φ)为雷达天线的辐射方向图；R为观察点robs和雷达站坐标rradar之间的距离；k0为电磁波波数；θ,φ为观察点和雷达连线的方位角和俯仰角。

图2 雷达照射风电场辐射示意图

当电磁波的传播路径经过风电场时，由于发电机组的散射作用，在观察平面的电磁场会发生相应的变化。由于风电机组间的距离在6 000个电波长以上，因此可以不考虑发电机组间的直接耦合，即一台发电机组的电磁散射不受其它发电机组的影响。

此时观察点robs处的电场强度可以看作由以下两部分组成：一部分是雷达天线的直接辐射部分，另一部分是经过发电机组散射后到达观察点部分。在远场条件下，散射场的传播也可近似为简单的球面波衰减过程，于是此时观察点robs处的电场可以表达为:

(2)

(3)

式中：Ek为雷达辐射的电磁波到达第k个发电机组位置处的电场：θradar,k,φradar,k,Rradar,k分别为雷达和第k个发电机组连线的方位角、俯仰角和距离；θk,obs,φk,obs,Rk,obs分别为第k个发电机组和观察点之间连线的方位角、俯仰角和距离；S(θinc,φinc,θobs,φobs)代表发电机组针对入射方向(θinc,φinc)的单位电场强度平面波在(θobs,φobs)方向上产生的散射电场强度。

仿真参数说明：雷达频率5 380 GHz，海面目标为10 m高，等效风机高度135 m，风机与雷达的距离分别为50 km，风机直径4.05～7 m，雷达方位向波束宽度约为2°，俯仰波束宽度2.6°。

根据一致性绕射理论，计算不同方向入射平面波在风电场后方所产生的电磁场分布。通过风电场是否存在2种情形下的对比，得出风电场对雷达天线辐射的方位遮挡情况，如图3所示，方位遮挡区间，电场变化强度超过未设立风电场时的5%～25%。

图3 不同方向入射波在风电场后方的散射场

距离天线50 km处辐射场分布如图4所示。其电场强度的最大起伏量大约为没有风电场时的1.4倍，水平波束宽度也同样有所减小。

图4 距离天线50 km处辐射场分布示意图

3 数据分析与结论

由于风机的电磁散射、绕射效应，风电场周边的电磁场局部区域可能增大、减小，甚至信号盲区；试验中采用喇叭天线，同时由于船舶的摇摆影响，信号幅度变化在30 dB左右，符合理论分析结果。

综上所述，加装海上风电场的主要影响如下：电磁场功率引起的变化会造成雷达P显虚假目标的出现，对岸基雷达和导航雷达中小船只的检测跟踪有一定影响；在风电场内部，由于虚假回波的出现和风电场回波较大造成雷达信号饱和，甚至可能形成成片的亮线；风电场对雷达电磁波的遮挡会造成一定的信号盲区，影响船舶的检测，导致雷达丢点；风电场及其升压站产生的电磁信号主要为工频信号，对AIS、短波电台影响不大。