激光雷达在不同地形条件下进行风资源评估的适用性研究

侯金锁，王 冠，陈 玮，赵 洁

（上海能源科技发展有限公司，上海 200233）

0 引言

风电作为主要的清洁能源之一，为构建现代能源体系发挥着重要作用。近年来，风能资源评估的有效技术手段是数值模拟技术与风能资源测量相结合[1]，[2]。随着我国风电装机容量的快速增长，复杂山地风电场、尾流效应显著的大基地风电场和海上风电场越来越多，风电场测风塔数量不足、测风塔代表性差导致的风资源评估不准确等问题日 益 突 出[3]。

增加测风塔的数量可以有效增强源区代表性，使风资源评估更加精准化。在风能应用中，风电机组日趋大型化，风机轮毂高度目前多在90～120m，叶轮直径达120～160m，满足此高度要求的测风塔不仅成本高，施工周期长，而且寿命较短，一旦建成就无法移动。一种替代在测风塔上安装仪器进行风测量的新方法，即有着较高垂直分辨率的激光雷达作为新型测风手段已在风电行业扮演越来越重要的角色[4]。目前国内用于补充测风的激光雷达主要是LEOSPHERE公司研发推出的WindCube激光测风雷达，其测量原理为激光脉冲多普勒频移。国内外已进行过一些WindCube激光雷达与传统杯型测风仪的同步观测对比分析试验，试验场地多为平坦地形，试验结果表明WindCube测量数据有效率较高，与测风塔测量结果 的 相 关 性 较 好[5]，[6]。

使用激光雷达评估风资源，应注意雷达技术水平和应用条件限制，才能合理地达到测量效果。本文对复杂山地、平原、沿海3种地形条件下的WindCube激光雷达与测风塔的同步观测实验数据进行了对比，分析激光雷达各高度有效数据的完整率和准确性，验证了WindCube激光雷达在不同地形条件下的适用性和不同测量高度下的准确性，进而探讨了激光雷达代替测风塔评估风资源的可行性。

1 对比实验地点及数据观测时间

各激光雷达均安装于测试场盛行风的上风向处，以避免受测风塔的塔影效应影响。复杂山地实验地点位于河南省南阳市南召县与鲁山县交界处，激光雷达与测风塔直线距离约为7m，同步观测时间为20180420T000000-20180609T235000。平坦地形实验地点位于河北省张家口市张北县，激光雷达与测风塔直线距离约为15m，同步观测时间为20180112T135000-20180129T235000。沿海地区实验地点位于深圳市宝安区海岸线附近，激光雷达与测风塔直线距离约为50m，同步观测时间为20190401T000000-20190430T235000。

2 WindCube激光雷达测量原理

激光雷达发射短激光脉冲，通过大气气溶胶（大气中的固体微粒和液体微粒）反射激光，探测高度与激光脉冲来回时间是线性关系。空间中风的矢量结构测量假设条件：同高度的风是均匀的，并且在4个方向探测时，风速是相同的[7]。Wind-Cube激光雷达测量原理如图1所示。

图1 WindCube激光雷达测量原理Fig.1 Measurement principle of WindCube lidar

3 仪器设置及数据处理

3.1 测量高度及仪器性能

WindCube激光雷达风速测量为0～70m/s，设计测量精度为0.1m/s，数据采样率1s，存储的数据为1s实测值和10min数据平均值。测风塔风速测量为0～70m/s，设计测量精度为0.1m/s，测风采样率1s，输出10min数据平均值。WindCube激光雷达参数见表1。

表1 WindCube参数Table1 WindCube performances ＆ specification

续表1

复杂山地测风塔对比观测高度为90m和100m，平坦地形测风塔对比观测高度为85，90，100m和120m；沿海地区测风塔对比观测高度为40，50，80，100，150，160，250m和300m。

3.2 WindCube有效数据完整率

GB/T18710—2002《风电场风能资源评估方法》定义有效数据完整率为有效数据数目（应测数目与缺测数目、无效数据数目的差）和应测数目之比。按国标要求，进行风电场风能资源评估的测风数据的有效测风数据完整率应达到90%。

目前，风机轮毂高度一般在90～120m，主流风资源评估采用轮毂高度处风速进行发电量计算。WindCube激光雷达在复杂山地120m以下有效数据完整率在91%以上，平坦地形120m以下有效数据完整率在98%以上，沿海地区120m以下有效数据完整率在96%以上。

从整体来看，WindCube激光雷达有效数据完整率随测量高度的升高而逐渐降低。不同地形条件下，WindCube各高度的有效数据完整率均在90%以上，能满足风能资源评估要求。

从不同地形来看，当WindCube激光雷达测量高度一致时，沿海地形的有效数据完整率最高，平坦地形次之，有效数据完整率最差的为复杂山地。分析复杂山地有效数据完整率较低的原因发现，同步观测时段内大雾天气较多。可能受气溶胶浓度影响，气溶胶粒子的散射与吸收效应抑制雷达性能，造成观测数据缺失[8]。

雾对激光雷达测量有效数据完整率的影响如图2所示。

图2 雾对激光雷达有效数据完整率的影响Fig.2 Effect of fog on WindCube valid data integrity rate

4 统计方法

4.1 相关系数

皮 尔 森 相 关 系 数 （Pearson correlation coefficient）用来反映两个变量X和Y的线性相关程度。估算样本的协方差和标准差，可得到样本相关系数r（皮尔森相关系数）。

4.2 相对偏差

平均偏差与标准值之比为相对偏差，在此用于表征WindCube和测风塔的测风数据之偏差的离散度。离散程度小，说明两类仪器观测数据的偏差比较稳定。平均风速的相对偏差Aws为

式中：uwindcube为WindCube激光雷达10min平均风速；umast为测风塔10min平均风速。

4.3 风廓线

风廓线用以描述风随高度的变化情况，在此指风速随高度的变化形态。在中性大气层结下，对数和幂指数方程都可以较好地描述风速的垂直廓线，本文采用幂指数公式。

式 中：V2为 高 度Z2处 的 风 速，m/s；V1为 高 度Z1处的风速，m/s；α为风切变指数，表征风速随高度的变化规律。

5 WindCube和测风塔观测数据对比分析

5.1 平均风速偏差分析

复杂山地下WindCube激光雷达与测风塔对比观测高度为90m和100m，其对比结果如表2所示。

表2 复杂地形WindCube与测风雷达平均风速对比Table2 Comparison of average wind speed between WindCube and windmast in complex terrain

平坦地形WindCube激光雷达与测风塔对比观测高度为85，90，100m和120m，对比结果如表3所示。

表3 平坦地形WindCube与测风雷达平均风速对比Table3 Comparison of average wind speed between WindCube and windmast in plains

沿海地形WindCube激光雷达与测风塔对比 观 测 高 度 为40，50，80，100，150，160，200，250m和300m，对比结果如表4所示。由表4可知：WindCube雷达在300m高度处测量数据失真，使用时剔除；在其他高度处的数据平均偏差均小于1%。

表4 沿海地形WindCube与测风雷达平均风速对比Table4 Comparison of average wind speed between WindCube and windmast in coastal terrain

5.2 平均风廓线对比

图3为不同地形条件下WindCube与测风塔同步观测风速值拟合的风廓线。由图3可知：在对比观测高度范围内，两类仪器得到的平均风廓线形状较为接近，但在数值上存在差异；复杂山地90～100m，WindCube拟合的幂指数值比测风塔拟合的幂指数值高0.076；平坦地形85～120m，WindCube拟合的幂指数值比测风塔拟合的幂指数值高0.029；沿海地形40～250m，WindCube拟合的幂指数值比测风塔拟合的幂指数值高0.020。

图3 不同地形条件下WindCube和测风塔风廓线对比图Fig.3 Comparison of wind speed profiles between WindCube and wind mast under various conditions

5.3 相关性分析

选取代表性高度对Windcube与测风塔两种仪器的测量数据进行相关性分析。复杂地形代表高度选取90m和100m，平坦地形代表高度选取90m和120m，沿海地形代表高度选取100m和150m。表5，6分别为不同地形条件下WindCube与测风雷达风速相关性和风向相关性对比结果。

表5 不同地形条件下WindCube与测风雷达风速相关性对比Table5 Wind speed correlation analysis between WindCube and wind mast

表6 不同地形条件下WindCube与测风雷达风向相关性分析对比Table6 Wind direction correlation analysis between WindCube and wind mast

由表5，6可知：复杂山地90，100m观测高度WindCube与测风塔两种仪器测量的风速相关系数均在0.99以上，风向的相关系数在0.89以上；平坦地形90，120m观测高度Windcube与测风塔两种仪器测量的风速相关系数均在0.99以上，风向的相关系数在0.85以上；沿海地形100，150m观测高度Windcube与测风塔测量风速的相关系数在0.89～0.91，风向的相关系数在0.83以上。

6 结论

本文对复杂山地、平原、沿海3种地形条件下WindCube激光雷达与测风塔的同步观测实验数据进行对比，验证WindCube激光雷达在不同地形和不同测量高度条件下代替测风塔评估风资源的可行性，通过对同步观测数据的对比分析，得出以下结论。

①3种地形条件下，WindCube测量高度越高，有效数据完整率越低。在90～120m轮毂高度，有效数据完整率均在90%以上，满足风能资源评估要求。

②从不同地形来看，风速、风向的相关系数由高到低依次为平坦地形、复杂山地和沿海地形。在轮毂高度范围内，平坦地形、复杂山地风速相关系数达0.99以上，风向相关系数为0.85～0.90；沿海地形风速相关系数达0.90以上，风向相关系数在0.90左右。

③轮毂高度为90～120m，在复杂山地、平坦地形条件下，WindCube与测风塔测得的10min平均风速偏差较小，在0.1m/s以内，相对偏差在1%左右。在复杂山地和平坦地形，WindCube可代替测风塔进行风能资源评估。沿海地形条件下，WindCube与测风塔测得的10min平均风速偏差较大，达0.5m/s，相对偏差在10%左右。在沿海地区，受下垫面影响，WindCube替代测风塔的可行性应根据项目实际情况进一步评估。