浅析激光测风雷达在风能中的应用现状与前景

【摘

要】

在过去十多年中，随着风能行业的不断发展和激光测风雷达的技术进步，激光测风雷达在风能领域得到了普遍认可，广泛应用于风速测量的各种场景，在陆地和海上都有大量的应用案例。产品迭代与技术创新极大推动了激光测风雷达的发展和应用，使得激光测风雷达从传统的气象和环保领域走入风能行业，将风速测量和风资源评估推向更高的高度和更广的维度。【关键词】

激光测风雷达

风能

风资源评估

功率曲线1.引言随着中国风能产业的持续高速发展，中国已投产风电场已经位居世界第一位，风能已经成为中国的第三大能源来源，对中国的能源安全、绿色发展意义重大。激光测风雷达作为一种近年来兴起的、新颖的测风手段，在风能领域有广泛应用，具有下列主要优点：（1）激光测风雷达可以准确测量整个叶轮高度的风速。以前，风机轮毂的高度通常在80米左右，而现在的轮毂高度已经超过120米，尤其是在平原地区等风切变较大的区域。建造如此高的测风塔，其成本已经非常高昂，后期的维护工作量更是非常大，而且更容易产生危险因素。面对高轮毂高度的测风需求，激光测风雷达可以高效、完美地解决这一问题。图1：近十多年来，风机的轮毂高度、叶轮直径、额定功率都在不断地快速提升和增加（2）激光测风雷达可显著降低风资源评估的误差。常规的项目评估，通常采用测风塔进行风资源测量，然后利用风资源评估的商业软件推算风电场各个机位的发电量，但是该方法具有较大的误差。面对不同区域风资源差异这一问题，利用激光测风雷达对关键区域进行补充测量，可以显著降低项目的投资风险，优化风机排布方案，提高项目收益率。同时，现在平原地区的项目大多风切变较大，测风塔的测量高度通常远低于风机最终采用的轮毂高度，如果仅采用测风塔推算更高高度的风速，会进入较大评估误差。激光测风雷达可以测量高度300米内的风速和风参数，降低测风塔在风速垂直外推方面的风险，确定合理的风机轮毂高度，优化项目方案。国际可再生能源服务与创新公司Ecofys（欧洲成长型企业500强Econcern集团旗下子公司）认为，风资源评估主要存在四种误差：系统误差、垂直外推误差、水平外推误差、多年外推误差。其项目评估结果表明：1、仅使用测风塔进行风资源评估时，整体误差为14%；2、使用激光测风雷达进行多点位切换测量时，该方法会降低水平外推和垂直外推的误差，使得整体误差降至8%。图2：Ecofys对激光测风雷达和测风塔不确定性的分析（3）激光测风雷达可以测量更多的风数据，更好地评估和优化风机性能。激光测风雷达，可测量更多高度层、更多类型的风参数数据，对于风机功率曲线的测量是非常有价值的数据，可以绘制更为精确的功率曲线，来评估和优化风机性能。同时，激光测风雷达的1Hz秒级数据，会提供风速场更高时间分辨率的信息，对于研究风资源特性、风机载荷、风机性能都是必要的输入数据。（4）激光测风雷达可以增加项目融资机会。使用激光测风雷达，可以获得更多更为信赖的数据，针对前期遗留的风资源问题进行针对性测量，同时可以节约设备部署时间和资金，提高投资者信心，提高项目的融资机会。（5）激光测风雷达可以克服测风塔建造和安装的问题。陆上测风塔的建设需要占用一定范围的土地，有时征地问题较难解决，并且存在一定的安全隐患，尤其是在平原等人口稠密的地区。海上测风塔的建造成本高昂，使用激光测风雷达可以显著降低成本，同时规避海上恶劣环境下施工和运维的安全风险。图3：激光测风雷达的野外安装照片2.激光测风雷达简介激光测风雷达通常可以分为下面四种类型：垂直式激光测风雷达、机舱式激光测风雷达、扫描式激光测风雷达、控制式激光测风雷达，四种产品的基本参数如下表所示。表1：不同类型激光测风雷达的参数表2.1垂直式激光测风雷达垂直式激光测风雷达，可测量垂直上空290米高度内的风速风向，可准确获取风速风向数据，同时测量12个高度层。更准确、可靠的风数据，可以确保项目成功融资、降低投资成本和不确定性。2.2机舱式激光测风雷达机舱式激光测风雷达，通常安装在风机机舱上，至少测量风机前方2.5D距离处的风速，有效量程通常要到达400米以上。机舱式激光测风雷达现在已经成为一种不可或缺的、高效的风机性能诊断工具，可用于风机评估、性能优化、故障原因研究。长距离式的机舱激光测风雷达具有长达700米的测量距离，可满足任何现有和未来风力风机的功率曲线测试要求的激光测风雷达，尤其适用于海上大机组的功率曲线测试。图4：机舱式激光测风雷达的安装在风机机舱上，对风机功率曲线进行测量的照片2.3扫描式激光测风雷达扫描式激光测风雷达，一般安装在地面上，对空间风场进行测量，可以设置多种模式的测量模式：固定高度角PPI模式、固定方位角RHI模式、风廓线测量模式DBS模式、单光束测量模式LOS模式。该仪器的使用较为灵活，功能非常强大，用户可以自行设置多种测量模式，或将已有模式按照测量目的进行组合，实现较为复杂的测量效果。扫描式激光测风雷达可以扫描一个平面上的风速分布，这种独特、灵活的测量方式，常常可以克服了其他测风手段的不足，带来意想不到和高附加值的测量结果。扫描式激光测风雷达常规的应用方向，是用于风机的尾流测量、风资源测量、风机功率曲线。下图4是扫描雷达安装在海上风电场，测量整场风机尾流。右图的结果图清晰地呈现每台风机地尾流分布，有利于研究风机尾流对于电量的衰减，从而提高风机排布方案，提高项目的收益水平。图5：扫描激光测风雷达在海上风电场的照片（左图）与风速结果图（右图）2.4控制式激光测风雷达控制式激光测风雷达，是激光测风雷达在风能领域的最新的前沿应用，主要通过实时测量风机前方200米内的风况，预测未来几秒后风机处的风况，进而优化风机控制策略，来达到降低风机载荷的目的。图6：控制式激光测风雷达的仪器配置与测量数据分布3.激光测风雷达在风能各个阶段的作用激光测风雷达在风电项目的全生命周期的各个阶段，都有非常有价值的应用，其典型的应用场景总结如下表。表2：激光测风雷达在风电全生命周期各个阶段的应用场景4.结论在过去十多年中，随着风能行业的不断发展和激光测风雷达的技术进步，激光测风雷达在风能领域得到了行业专家的普遍认可，广泛应用于风速测量的各种场景，在陆地和海上的风电项目都有大量的应用案例。在过去，风电行业主要依赖传统的测风塔进行风速测量和风资源的评估，现在激光测风雷达不仅被行业普遍接受，而且已经成为必不可少的测风技术和手段。激光测风雷达产品，能够提供准确