張煥勝，馬振富，馮 策，張 皓，蔣 灝

(1.電視電聲研究所，北京 100015；2.中國白城兵器試驗(yàn)中心，白城 137001)

工程與應(yīng)用 doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.05.018

WFMS-200型風(fēng)電場聲雷達(dá)與測風(fēng)塔測風(fēng)結(jié)果比對

張煥勝1，馬振富2，馮 策1，張 皓1，蔣 灝1

(1.電視電聲研究所，北京 100015；2.中國白城兵器試驗(yàn)中心，白城 137001)

聲雷達(dá)作為一種有效的風(fēng)電場測風(fēng)手段，具有安全性高、建設(shè)、使用、維護(hù)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文簡要介紹了國內(nèi)外聲雷達(dá)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用情況，分析了聲雷達(dá)和超聲波測風(fēng)儀的測風(fēng)原理，根據(jù)兩種儀器測風(fēng)原理的不同，提出了一種精度比對方法，在總裝31試驗(yàn)基地開展了比對試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明WFMS-200型聲雷達(dá)測風(fēng)性能滿足風(fēng)電場測風(fēng)要求。

聲雷達(dá)； 測風(fēng)塔； 超聲波測風(fēng)儀； 風(fēng)電場； 同步比對

0 引 言

目前，在風(fēng)電領(lǐng)域，廣泛采用測風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估、風(fēng)機(jī)微觀選址和風(fēng)功率預(yù)測[1，2]。但測風(fēng)塔主要存在以下幾個(gè)問題，一是凍雨季節(jié)時(shí)有倒塔，二是需要高空作業(yè)，安全隱患大，三是建設(shè)、使用、維護(hù)非常不便，四是成本昂貴，尤其海上和大型風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用場景。因此，有必要尋求一種新的測風(fēng)手段。目前主要的低空風(fēng)測量手段主要有風(fēng)廓線雷達(dá)、激光測風(fēng)雷達(dá)和聲雷達(dá)，風(fēng)廓線雷達(dá)低空探測能力差，成本高，激光測風(fēng)雷達(dá)探測性能受能見度影響大，壽命短，成本高，在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用有限[3]。聲雷達(dá)能夠探測10米～200米范圍的風(fēng)速、風(fēng)向、垂直氣流，探測精度高，分辨率小，無需建塔，安全性高，建設(shè)、使用、維護(hù)方便，成本低，壽命長，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，是一種有效的風(fēng)電場測風(fēng)手段[4,5]。

聲雷達(dá)在使用前，需要與測風(fēng)塔超聲波測風(fēng)儀進(jìn)行比對，確定聲雷達(dá)的性能能夠滿足風(fēng)電場測風(fēng)需求[3,6,7]。本文簡要介紹了國內(nèi)外聲雷達(dá)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用情況，分析了聲雷達(dá)和測風(fēng)塔超聲波測風(fēng)儀的測風(fēng)原理，根據(jù)兩種儀器測風(fēng)原理的不同，提出了一種比對方法，在總裝31試驗(yàn)基地開展了對比試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明聲雷達(dá)測風(fēng)性能滿足風(fēng)電場測風(fēng)要求。

1 聲雷達(dá)在國內(nèi)外風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用

在國外，聲雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域，包括風(fēng)資源測評(píng)、風(fēng)機(jī)選址、風(fēng)功率預(yù)測等，典型的產(chǎn)品主要有法國Remtech公司的PA-XS型聲雷達(dá)、芬蘭Vaisala公司Triton型聲雷達(dá)、瑞典AQSystem公司AQ510型聲雷達(dá)、美國ART公司VT-1型聲雷達(dá)、德國Scintec公司MFAS型聲雷達(dá)和德國Metek公司PCS2000-24型聲雷達(dá),共6型產(chǎn)品，如圖1～6所示[8-13]。

圖1 法國Remtech PA-XS聲雷達(dá)

圖2 瑞典AQSystem AQ510聲雷達(dá)

圖3 芬蘭Vaisala Triton聲雷達(dá)

圖4 美國ART VT-1聲雷達(dá)

圖5 德國Scintec MFAS聲雷達(dá)

圖6 德國Metek PCS2000-24聲雷達(dá)

國外引進(jìn)的聲雷達(dá)價(jià)格昂貴，且存在氣象信息泄露的安全隱患，而國內(nèi)聲雷達(dá)研制又相對落后。因此，國內(nèi)聲雷達(dá)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用相對滯后，主要是采用測風(fēng)塔。中國電科三所在軍用某型聲雷達(dá)的基礎(chǔ)上，針對風(fēng)電場氣象測量的需求，專門研制了WFMS-200型風(fēng)電場氣象監(jiān)測聲雷達(dá)，它是一款地面遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)，可測量10～200 m高度的風(fēng)速風(fēng)向和地面溫、濕、壓等氣象信息，產(chǎn)品性能達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平，價(jià)格大幅降低，完全自主可控，不存在氣象信息泄露的隱患，具備在風(fēng)電領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用的條件，產(chǎn)品如圖7所示。

圖7 中國電科三所WFMS-200型聲雷達(dá)

2 測風(fēng)原理比較

2.1 聲雷達(dá)測風(fēng)原理

聲雷達(dá)采用收/發(fā)可逆相控陣天線，通過相位控制，向天頂、東、南、西、北5個(gè)方向順序發(fā)射聲信號(hào)，分別采集每個(gè)方向的后向散射回波，對回波信號(hào)進(jìn)行多脈沖非相干積累，然后估計(jì)回波多普勒頻率，利用回波多普勒原理，計(jì)算每個(gè)方向的徑向風(fēng)速，最后根據(jù)5個(gè)波束的幾何關(guān)系，計(jì)算三維風(fēng)速[6,14]。

圖8 5波束測風(fēng)原理圖

(1)

式(1)可以表示為N=BRV，方程的最小二乘解為：

(2)

風(fēng)速分量u和v合成水平風(fēng)速Vh，方向?yàn)棣兹鐖D8所示。

(3)

2.2 測風(fēng)塔測風(fēng)原理

測風(fēng)塔在不同的高度安裝三維超聲波測風(fēng)儀，測量每個(gè)高度的風(fēng)速。每個(gè)超聲波測風(fēng)儀有3對超聲波傳感器，每對傳感器間的角度為120°，每對傳感器的距離為d，與垂直方向的角度為θ，如圖9所示[15]。

圖9 超聲波測風(fēng)儀原理圖

如果每個(gè)傳感器都發(fā)射一次聲波，相對的傳感器接收一次聲波，那么在風(fēng)的作用下，順風(fēng)和逆風(fēng)就會(huì)產(chǎn)生傳播時(shí)間差，利用這一時(shí)間差，可以計(jì)算出u，v，w風(fēng)速分量,計(jì)算公式為(4)和(5)，風(fēng)速和風(fēng)向用公式(3)計(jì)算，其中vri為每對傳感器間的徑向風(fēng)速，ti為傳感器Ti發(fā)射時(shí)的時(shí)延。

(4)

(5)

2.3 兩種設(shè)備測風(fēng)原理比較

由聲雷達(dá)和測風(fēng)塔的測風(fēng)原理可知，聲雷達(dá)測量的是某一高度區(qū)域和某一時(shí)間區(qū)域的平均風(fēng)速，是在空間和時(shí)間的平均，一般高度區(qū)域?yàn)?0 m，時(shí)間區(qū)域?yàn)?0 min；測風(fēng)塔是利用超聲波測風(fēng)儀測量某一高度點(diǎn)的瞬時(shí)風(fēng)速，一般高度區(qū)域?yàn)?0 cm，時(shí)間區(qū)域?yàn)?秒。由于兩種儀器的測風(fēng)原理不同，比對結(jié)果必然引入誤差，尤其是風(fēng)速在高度向有切變或風(fēng)速隨時(shí)間變化較快時(shí)。因此，為了保證比對結(jié)果的可信度，要在平原地區(qū)進(jìn)行比對，且在比對前需要對測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，盡可能減少由于測量原理不同而引入的誤差。

3 同步比對方法

同步比對主要是獲取聲雷達(dá)與測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)的誤差，以及聲雷達(dá)與測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)相關(guān)性。

3.1 比對流程

(1)誤差統(tǒng)計(jì)

首先要對測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，比較聲雷達(dá)數(shù)據(jù)和測風(fēng)塔預(yù)處理數(shù)據(jù)，得到風(fēng)速風(fēng)向誤差，然后剔除粗大誤差，統(tǒng)計(jì)各高度標(biāo)準(zhǔn)差，最后統(tǒng)計(jì)總體誤差，比對流程如圖10所示。

圖10 誤差統(tǒng)計(jì)流程圖

剔除粗大誤差后，首先統(tǒng)計(jì)每個(gè)高度層的標(biāo)準(zhǔn)差，多個(gè)高度的誤差按公式(6)綜合得到統(tǒng)計(jì)總體誤差。

(6)

(2)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)中用線性回歸斜率k，線性回歸偏移量b，決定系數(shù)r2三個(gè)參數(shù)判定聲雷達(dá)與測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。

設(shè)聲雷達(dá)數(shù)據(jù)為x，測風(fēng)塔數(shù)據(jù)為y，線性擬合方程為y=kx+b，則：

(7)

(8)

(9)

圖11 相關(guān)性統(tǒng)計(jì)流程圖

3.2 測風(fēng)塔數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先在高度方向進(jìn)行插值，獲得10～100 m高度層的風(fēng)速數(shù)據(jù)，高度間隔為1 m；然后根據(jù)聲雷達(dá)測量高度，對測風(fēng)塔插值后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)高度區(qū)域的矢量平均；再根據(jù)聲雷達(dá)累積時(shí)間，對高度區(qū)域平均數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間區(qū)域的矢量平均；最終獲得與聲雷達(dá)高度對應(yīng)的測風(fēng)數(shù)據(jù)。

圖12 測風(fēng)塔數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖

3.3 剔除粗大誤差

4 同步比對試驗(yàn)與結(jié)果

2016年5月5日至5月25日在總裝31試驗(yàn)基地進(jìn)行了比對試驗(yàn)，測風(fēng)塔高度100米，分別在20 m、34 m、55 m、75 m、100 m高度安裝了超聲波測風(fēng)儀，速度精度rms0.1 m/s、方向精度±2°，聲雷達(dá)與測風(fēng)塔距離50 m，如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)設(shè)備布置圖

試驗(yàn)共獲得約28000組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖14～圖21和表1。由圖和表可以看出，聲雷達(dá)測風(fēng)精度滿足風(fēng)功率預(yù)測的要求。

圖14 風(fēng)向相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

圖15 風(fēng)向相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

圖16 風(fēng)向誤差統(tǒng)計(jì)

圖17 風(fēng)向誤差統(tǒng)計(jì)

圖18 風(fēng)速相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

圖19 風(fēng)速相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

圖20 風(fēng)速誤差統(tǒng)計(jì)

圖21 風(fēng)速誤差統(tǒng)計(jì)

10m20m34m55m75m100m總體風(fēng)向誤差2.642.412.342.402.382.212.40風(fēng)速誤差41.7936.4637.8140.7545.0539.9540.40風(fēng)向k0.99810.99700.99680.99920.99710.99610.9974風(fēng)向b1.761.921.961.751.931.161.77風(fēng)向r20.99580.99970.99970.99970.99970.99960.9990風(fēng)速k0.98161.01471.00961.01721.01141.00281.0051風(fēng)速b7.102.366.422.3710.8322.4610.99風(fēng)速r20.97250.98360.98540.98690.98720.99340.9839

5 結(jié) 語

風(fēng)電場聲雷達(dá)作為一種有效的低空風(fēng)測量手段，測量精度能夠滿足風(fēng)電場應(yīng)用需求，可以用于風(fēng)資源測評(píng)、風(fēng)機(jī)選址、風(fēng)電場運(yùn)行中的風(fēng)功率實(shí)時(shí)監(jiān)測等。與測風(fēng)塔、風(fēng)廓線雷達(dá)、激光測風(fēng)雷達(dá)等手段相比，建設(shè)、使用、維護(hù)方便，成本低，壽命長，是一種有效的風(fēng)電場用測風(fēng)手段。

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張煥勝(1976—)，男，山東人，主要研究方向?yàn)槁曁綔y系統(tǒng)；

E-mail：zhanghuansheng@cetc3.cn

馬振富(1976—)，男，吉林人，主要研究方向?yàn)槌Ｒ?guī)兵器試驗(yàn)，大氣探測理論；

馮 策(1979—)，女，河北人，主要研究方向?yàn)槁曁綔y系統(tǒng)；

張 皓(1986—)，男，內(nèi)蒙人，主要研究方向?yàn)槁曁綔y系統(tǒng)；

蔣 灝(1973—)，男，四川人，主要研究方向?yàn)槁曁綔y系統(tǒng)。

Comparison Between Sodar and Wind Tower Data

ZHANG Huan-sheng1, MA Zhen-fu2, FENG Ce, ZHANG Hao1, JANG Hao1

(1.Research Institute of TV and Electronic-Acoustic, Beijing, 100015, China;2.Baicheng Ordnance Test Center of China, Baicheng, 137001, China)

Sodar is a kind of effective means to measure the wind of wind farm.It is low cost and easy to construct, use and maintain.This article compared the principles of sodar and wind tower.According to the difference between the principles, this article proposed a comparison method between sodar and wind tower data.The results of comparison experiment show that this sodar is meet the needs for wind measuring of wind farm.

Sodar； Wind tower；Ultrasonic anemometer； Wind farm； Comparison

2016-08-02

2016-09-09

：A

1673-5692(2016)05-562-07