Windcube激光雷达与测风塔测风结果对比

第４ １ 卷第 １ 期 ２ ０ １ ３年 ２月
气
象
科
技
Ｖｏ１ ． ４ １． Ｎｏ ．１
Ｆｅ ｂ． ２０ １ ３
Ｍ ＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩ ＣＡＬ Ｓ ＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨ ＮＯＬｏＧＹ
Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ 激 光 雷 达 与测 风 塔测 风 结 果对 比
王乔 乔 张秀芝 王 尚 昆。
～
雷达 测 风 系统进 行 测 风之 前 ， 需要 进 行 雷达 与 传统 的杯 型测风 仪对 比分 析 ， 以 确定 其 在 这一 地 区
的实用 性 和可 靠性 。Ｇａ ｒ ｒ ａ ｄ Ｈａ ｓ ｓ ａ ｎ Ａ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ使 用
Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ 分别 与美 国 １ ０ ０ ｒ ｎ测 风 塔 ２ ５天 观 测 数 据 和法国 ８ ０ Ｉ Ｔ Ｉ 测 风塔 ３ １天 观 测 数 据 进 行 了 对 比 分
Ｇ Ｐ Ｓ坐标
式中 为 １ ０ ａｉ ｒ ｎ平 均 风 速 （ ｍ／ ｓ ） ， Ｓ 为 １ ０ ｍｉ ｎ内
瞬 时 风 速 相 对 平 均 风 速 的 标 准 差 ］ 。 （ ４ ） 风 切 变 指 数 。 风 切 变 指 数 表 征 风 速 随 高 度
表 ２ 测 风 塔 测 量 高 度 及 仪 器
（ ２ ０ １ ０ ＤＦ Ｂ ５ ３ ８ ９ ０ ） 资助
作 者 简介 ： 王乔乔 ， 女， １ ９ ８ ７年生 ， 硕士研究生 ， 主要 从 事 海 气 相 互 作 用研 究 ， Ｅ ｍａ ｉ ｌ ： ｗｑ ｑ ９ ２ ９ ９ ２ ９ ＠ｆ ｏ ｘ ｍａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｎ ｒ 收 稿 日期 ： ２ ０ １ １年 ９月 ２ ２日； 定 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ 年 ２ 月 ７日
机械风向标 ， 风 杯式 风 速计 ， 温度 、 湿 度 计 机械风向标 ， 风 杯式 风速 计 机械风向标 ， 风 杯式 风 速计 机械风向标 ， 风 杯式 风速 计 ， 温度 、 湿 度 计
采 用 上 式 计 算 得 到试 验 场 测 风 塔 ７ ０ ～１ ２ ０ ｍ 高 度风 切变指 数 为 ０ ． １ ６ ２ ６ 。
Ｃ ａ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｎ的风 电项 目进 行 了 ２年 多 的观 测 ， 将 于
步观测 试验 数据进行 了风 速 、 风向、 标 准偏差 和湍流 强度 对 比分 析 。
ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗ ｗｗ． ｑ ｘ ｋ ｊ ． ｎ ｅ ｔ ． ｃ ｎ气 象科 技
国 风 电场 勘 察 评 估 及 安 全 运 营 气 象 保 障 技 术 研 究 （ ＧＹＨＹ２ ０ ０ ８ ０ ６ ０ １ ６ ） 、 基 于 中 国 复 杂 风 资 源 特 点 的 风 力 发 电 关 键 技 术 研 究
本 文对 张家 口市 张北 县 国家风光储 输试验 场进
行 的 Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ 雷 达 测 风 系 统 与 测 风 塔 测 风 设 备 同
上 风 电项 目进行 测风 。英 国峰能 公 司研 发 的 Ｇ ａ ｌ ｉ ｏ ｎ 激 光雷 达 也 在 十 几 个 风 电项 目 中使 用 ， 其 中英 国
１ ２ ２ Ｉ Ｔ Ｉ 风 杯 式 风 速 计
的 变 化 规 律 。这 里 采 用 幂 指 数 公 式 ：
ａ— ｌ ｇ（ Ｖ ／ ｖ ） ／ ｌ ｇ （ Ｈ ／ Ｈ ）
１ ２ ０ ｍ
１ ０ ０ ｍ ８ ０ ｍ ７ ０ ｍ １ ０ １ ３ １
机 械 风 向 标
验数据 ， 计 算 了各 种 统 计 量 ， 对风速 、 风 向、 标 准 偏 差 和 湍 流 强 度 进 行 了 对 比分 析 。结 果 表 明 ： Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ 测 量 数 据 有效率在 １ ４ ０ ｒ ｎ以下 达 到 ９ ７ 以上 ， 测量结果基本不受降水影响 ； Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ 与测风 塔测得的风速 、 风 向 相 关 系数 均达到了 ０ ． ９ ９以上 ， １ ０ ０ ｍ 高度 风速 偏 差 为 一０ ． １ ９ ７ ｍ／ ｓ ， 相 对偏差 为一２ ． ３ ， 平均风 向偏差为 一６ ． ２ 。 ， 平 均 湍 流 强度偏差 ０ ． ０ ０ ９ ３ ， 与 其 他 文 献 的 对 比 分 析结 果 一 致 ， 能 够 满 足风 能 资源 评 估 的要 求 。
关 键 词 激 光 雷 达 测 风 测 风塔 测 风 同步 观 测 有 效 率
２ ０ １ １ 年 １ １ 月在 香港南 丫岛外 的一 个海 上 风 电项 目
引 言 正式 观测 。
在 风能应 用 中 ， 随着 风 电机 组 日趋大 型化 ， 传 统 测 风塔 的高度 受 到了 限制 ， 特别 在 近海风 电开发 中 ， 风 电机 组 轮毂 高度 一般 在 ８ Ｏ ～１ ０ ０ ｍ， 叶 片长 度 ５ ０
了 ０ ． ９ ９ Ｅ ｓ ］ 。
层分辨 率较 低 。有一种 为适应 于 近地层 观测 的雷达
系统 。 目前 用于 欧洲 和 中国海上 风能资 源测量 的主 要是 法 国 Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ激 光 雷 达 和 英 国 峰 能 公 司 的 Ｇａ ｌ ｉ ｏ ｎ激 光 雷 达 系 统 。 Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ系 统 是 由 法 国
式为 ：
＝＝ ＝
风 向测 量 精 度 工 作 环 境 温 度 工 作 环 境 湿 度
１ 。 一４ ５ ～５ Ｏ℃ Ｏ ～１ ０ ０ ＲＨ
数据输 出
１ ｓ ／ １ ０ ａｉ ｒ ｎ水 平 风 速 和 垂 直 风 速 ， 最 大 和 最小风速， 风 向， 信噪 比， 数据 可利 用率 ，
数 据 采 样 频 率 自定 义 高 度 层 数
风速精度
风 速测 量 范 围
１ Ｓ １ ２
０ ． １ ｍ／ ｓ
０ ～８ Ｏ ｍ／ ｓ
（ ３ ） 湍流 强 度 。湍 流强 度 用 来 表示 瞬时 风 速偏 离 平均 风速 的程 度 ， 是评 价 气 流 稳定 程 度 的重要 指 标， 其 强度 与测风 的地 理位 置 、 地形 、 地 表 粗 糙度 和 影 响该 地 区的天气 系统 类 型等 因素有关 。其计 算公
（ １国 家 气候 中 心 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ；２中 国海 洋 大 学 ， 青岛 ２ ６ ６ １ ０ ０ ； ３北京 莱 维 塞尔 科 技 有 限 公 司 ， 北京 １ ０ ０ ０ ２ ９ ）
摘要
在张家 Ｖ Ｉ 市 张北 县 国 家风 光 储 输 试 验 场 ， 采 用 Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ激 光 雷 达 测 风 系统 与 测 风 塔 测 风 设 备 同 步 观 测 试
［ 娄 （ ｘ ￣ － ｘ ） ２ ］ 专
ｍ、 １ ８ ０ ｍ、 ２ ０ ０ ｉ ｎ 、 ２ ２ ０ Ｉ ｎ 。Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ的性 能 和参 数 见表 １ 。测风 塔测量 高度 及仪 器装 备见 表 ２ 。
表 １ Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ性 能 和 参 数 表
（ １ ） 标 准差 和 变差 系数 。样 本 数据 与平 均 值 的
差 为偏 差 （ 距平） ， 偏差 平方 的平均 值称 为样本 方差 ，
样 本方 差 的 均 方 根 称 为 均 方 差 （ 均方根误差、 标 准
差） ， 是 描述 变量 围绕平 均 值 的变化 情 况 ， 即变 量 的
第 １ 期
王乔 乔 等 ： Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ 激 光 雷 达 与 测 风 塔 测 风 结 果 对 比
１ 对 比 试 验 地 点 及 设 备 状 况
２ ． ３ Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ数 据 有 效 率
由图 ２ （ 彩页） 可见 ， １ ４ ０ ｍ 以下 数 据 有 效率 达
到 ９ ７ 以上 ， 这 也 是 目前 大 型 机 组 及 海 上 风 电 机 组
测 试地 点选 在 张家 口市张北 县 国家风 光储 输试 验场 ， 其 地形 特 点 为 张家 口坝 上 台 地地 形 。 由当地 气 象站 和测 试场 附 近 风 电场 风 向分 布可 知 ， 测 试 场
盛 行风 向为西北 风 ， 因 此 激 光 雷 达 安 置 在 测 风 塔 西 北 方 向约 １ ０ ０ ｍ（ 图１ ， 彩页 ） 。测 风 塔 塔 基 与 雷 达 安
叶轮扫 风 面积 的有 效 高度 ， 完 全 满 足 风 能资 源评 估 的要求 ， 然后 随测 量高 度增加 有效 性 降低 ， ２ ０ ０ ｍ 数
据有效 率 ６ ９ 。 ３ 统 计 方 法
放 地 面的 高 度 差 为 １ ． ５ ｍ。对 比 观测 时 间 为 ２ ０ １ １
年 ５ 月 ２ ５日 １ １ ： ５ Ｏ至 ２ Ｏ １ １ 年 ６月 ６日 ０ ６ ： ４ ０ 。
２ 仪 器 设 置 及 资 料 采 集 处 理 ２ ． １ 测 量 高 度 及 仪 器 装 备
Ｌ ｅ ｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｅ 公 司 与 Ａｅ ｒ ｏ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ａｇ ｅ ｎ ｃ ｙ
（ ＯＮＥ Ｒ Ａ） 共 同研 制 推 出 的测 风 雷 达 系 统 ， 先 后 在 苏格 兰 的 Ｒ Ｅ Ｓ和丹麦 的 Ｄｏ ｎ ｇ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ等近 １ Ｏ个海 上风 电项 目中使 用 ， 于 ２ ０ １ １年 ４月在 山东东 营外海
离 散程 度 。计算 公式 为 ：
ｓ 一
Ｗｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ 可 以测 量 周 围地 面 环 境 的 风 向 、 风
速、 温度、 湿 度 和 大气 压 力 。测 量 高 度 分 别 设 置 为
４０ ｍ 、 ６ ０ Ｉ ｎ、 ７ ０ ｍ 、 ８ ０ ｍ、 １ ０ ０ Ｉ Ｉ １ 、 １ ２０ ｍ 、 １ ４ ０ ｉ ＂ Ｉ １ 、 １ ６ ０
析； 德 国 Ｗｉ ｎ ｄ Ｇｕ ａ ｒ ｄ公 司 在 距 德 国北 海 沿 岸 约 １ ０
ｋ ｍ 的 Ｓ ｉ ｍｏ ｎ ｓ ｗｏ ｌ ｄ ｅ镇 附 近 对 Ｗ ｉ ｎ ｄ ｃ ｕ ｂ ｅ雷 达 与
９ ８ ． ７ Ｉ Ｔ Ｉ 高 桅杆测 量结果 进行 了 比较 ， 并利 用 Ｗｉ ｎ ｄ — ｃ ｕ ｂ测试 了 风 力 涡 轮 机 的 功 率 曲 线ｌ ４ ］ 。２ ０ １ １年 ２ 月， Ｂ ．Ｃ ａ ｉ ｆ ａ ｄ ｉ ｌ ｌ ａ ｓ 等人在 Ｆ Ｉ ＮＯ１ 平 台所作 的对 比试 验 结果显 示 ， 激 光雷 达 在 所有 高 度 的有 效 率 都达 到 了 ９ ８ 以上 ， 说 明 激 光 雷 达 是 一 种 可 靠 的 测 风 仪 器 。１ ０ ｍｉ ｎ平 均 风 速 的 比较 结 果 表 明在 所 有 高 度 上 雷达 和气 象 塔 测 量 结 果 之 间 的相 关 系 数 都 达 到
７ ０ ｍ， 满 足其 高度 要 求 的测 风塔 建设 很 昂贵 。 因
此， 有 必要 寻求一 种 新 的方 法 替代 在 气 象 塔上 安 装
仪 器进 行风 的测量 ， 有着 较 高 垂直 分 辨 率 的激 光 雷
达就是 一个很 好 的选择 。 目前 边界 层观测 使用 的一 种为 多普勒 风廓 线 雷达 系 统 （ Ｒ ＡＳ Ｓ ） ［ １ － ３ ］ ， 其 观测 要 素为风 向、 风速 和温度 ， 观测 高度 可达 ８ ｋ ｍ， 在 近地
项目 测 量 范 围 参 数 ４ Ｏ ～３ ０ ０ ｍ
为消 除变量 单位 的影 响 ， 经 常采用 均方差 的相 对变差 系数 或变 率 。
（ ２ ） 相 对 偏 差 。 平 均 偏 差 与 标 准 值 之 比 为 相 对 偏差（ ） 。