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陈玮:漂浮式激光测风雷达技术概述及应用现状分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-08-18  浏览次数:3037

一、发展背景

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,广泛应用于各种场景,在陆地和海上风电场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。其在海上风电领域主要应用于海上风电项目前期测风、海上风电施工气象监测、海上风电风功率预测等方面。

在“3060”国家目标和构建以新能源为主体的新型电力系统背景下,我国海上风电逐步向深远海发展。随着海上风电平价上网时代的来临,海上风电大规模开发已成必然趋势。由于传统海上测风塔在深远海区域面临建设难度大、造价高等问题,漂浮式激光测风雷达已逐步成为支撑海上风电建设和运维的关键基础装备。

在此之前,激光测风雷达已被广泛应用于各个领域,如环境气象监测、航空气象和风场监测等。在风能领域,激光测风雷达在陆上风资源测量、功率曲线测试、风机前馈控制、尾流分析上已有成熟应用。海上漂浮式激光测风雷达发展起步晚,但产业化发展快。相较于传统海上测风塔,主要具有两个优势:

第一,激光测风雷达可以准确测量整个叶轮高度的风速。以前,海上风电机组轮毂的高度通常在80米左右,而现在轮毂高度已经超过120米,叶轮直径也不断增加。海上测风塔测量高度层固定,难以等距覆盖叶轮扫掠范围。漂浮式激光测风雷达能够任意设置测量高度,测量数据可以用于叶轮等效风速计算,大幅提高海上风能资源评估的准确性。

第二,漂浮式激光测风雷达易于维护,能够保证测风周期内的准确性。海上测风塔由于可达性较差,在常年测风周期内其搭载的风速、风向等传感器难以定期维护和标定,导致误差不断增大。而漂浮式激光测风雷达可以通过远程调试或现场维护标定使其准确性维持在较高水平。

第三,漂浮式激光测风雷达相较海上测风塔,避免了建造、安装及拆除过程中的复杂工序。海上测风塔不仅建造成本高昂,拆除后对海洋环境也会产生较大负面影响。当前一座120米高度的海上测风塔造价约在1500万元左右,使用漂浮式激光测风雷达不仅价格便宜,还可以在不同项目重复利用,有效降低海上风电项目前期成本。

二、技术概述

漂浮式激光测风雷达主要由浮标平台和其搭载的激光测风雷达构成。激光测风雷达是风场测量的关键核心设备,浮标用于保证激光测风雷达在海上的安全稳定运行。深远海漂浮式激光测风雷达需要解决的关键技术主要有三项:一是能够准确测量风场信息激光测风雷达探测技术;二是能克服海浪影响准确获取实际风速和风向信息姿态和位移补偿算法;三是支持激光测风雷达在海上环境安全稳定运行的浮标平台。

(一)激光测风雷达探测技术

在保证探测精度方面,市面上主流的激光测风雷达均采用多普勒相干探测技术,即用激光雷达发射激光束到空气中,运动的气溶胶颗粒会使反射波发生多普勒频移现象,再通过激光雷达对反射波进行处理,就可以解析出其中所含的风速与风向信息。激光相干多普勒测风技术是目前精细风场测量的最佳技术途径,目前应用相干探测原理的多普勒测风激光雷达主要分为两种探测模式:连续波相干探测和脉冲相干探测。

其中脉冲雷达发射的波形为矩形脉冲,按一定的或交错的重复周期工作,是目前应用最广泛的雷达信号形式。常规脉冲雷达发射周期性的高频脉冲,通过间歇式发射脉冲周期信号,并且在发射的间隙接收反射的回波信号。

而连续波雷达发射连续的正弦波,并且发射的同时可以接收发射回来的回波信号,即收发可以同时进行。

现阶段脉冲相干测风激光雷达虽有着50m至10km较为宽广的测量区间的优势,但由于所发射的脉冲激光有着能量高、窄线宽等特点,近场测量数据会有非常强的噪声干扰,以致较低的信噪比致使数据无法使用,因此脉冲相干测风激光雷达系统存在着近场风场的测量盲区。同时脉冲式激光雷达测量时间极短,信噪比很低,需要数百或者数千次测量累积才能实现足够的信噪比,难以用于姿态不断变化的漂浮式平台。

连续相干探测与脉冲相干探测几乎同时起步和发展。虽然连续波相干测风激光雷达发出的连续激光瞬时强度不及脉冲光,且需要聚焦在测量点处,探测距离短,但优势在于无近距离的探测盲区,因此多适用于近场风场探测。

另外,由于连续波相干测风技术利用望远镜调焦机构实现不同距离探测,这种技术体制下,极大地减小了由于激光自身频率展宽对风速测量精度带来的影响,可以实现更高精度的风速测量,同时该体制的数据采集模式可以实现短时间内的多次测量,更适用于姿态低频变化的漂浮式平台。

(二)姿态和位移补偿算法

海上风能资源测量准确测量的关键是要保证激光雷达在风场测量时的精确度。由于激光测风雷达在海上随浮标平台运动,激光径向测量位置的偏差、系统本身的运动速度等因素都会在观测到的原始数据中引入误差。为避免激光测风雷达运动引起观测数据的误差,目前国内外漂浮式激光测风雷达均采用实时姿态与速度补偿算法对观测误差进行实时校正。利用搭载的GNSS和高精度惯导获得实时浮标姿态信息,如浮标位置、移动速度和姿态角等信息,结合激光雷达伺服系统记录的浮标坐标系下的光束扫描俯仰角和方位角,经过坐标系变换矩阵分析,剔除浮标运动引起的径向分量,从而得到真实的径向风速。校正后的径向风速通过风场反演方法,如DBS风场反演方法、VAD风场拟合方法等得到真实的大气风场。

(三)浮标平台

浮标平台是构成漂浮式激光测风雷达的主要部件,直径从3米到10米不等,一般直径4米以上的大中型浮标还会搭载潮位仪、海流、海浪传感器的多种海洋传感器,用于进行海洋环境观测。浮标平台为激光测风雷达提供了供电、通信、监控等基本功能。其中供电系统一般由光伏电池板、小型风力发电机、蓄电池、燃料电池等组成,满足激光测风雷达长时间海上运行要求。通信系统方面,由于我国深远海地区一般无移动通讯网络信号覆盖,国内漂浮式激光测风雷达数据通讯一般采用天通卫星或北斗短报文完成数据回传,受民用卫星通讯带宽限制,目前或内漂浮式激光测风雷达还无法实现数据实时回传。

三、应用情况

2008年,英国能源与气候变化部、苏格兰政府、碳信托(Carbon Trust)公司及9家海上风电开发商设立了海上风电促进(Offshore Wind Accelerator)项目,简称OWA,该项目致力于在2015年降低10 %的海上风电开发成本,在OWA推动下,欧洲及美国的多个企业及单位开始在漂浮式激光测风雷达领域的研究,国内的牧镭激光、镭测创芯等在激光探测领域起步较早的公司也开始了漂浮式激光测风雷达的产品研发。

(一)技术体制

在探测技术体制上,当前市场上较成熟的产品如法国LEOSPHERE WindCube V3、牧雷激光Molas B300M、镭测创芯WindMast 350-M、青岛华航WindPrint V300K等产品均采用脉冲相干探测技术体制,技术较为成熟。英国ZXLidar是唯一将连续波多普勒相干探测技术体制产业化的公司,ZXLidar公司在其ZX300型地基式激光测风雷达的基础上改进出ZX300M用于海上测风。

国内对于连续波激光应用在相干测风激光雷达上也有着持续的关注,但是研究起步较晚,仍处在系统仿真优化和样机性能测试阶段,尚无成熟的连续相干激光雷达产品供应市场。中国电子科技集团第27研究所、西南技术物理研究所、中国科学院光电技术研究所、中国科学技术大学、中国船舶重工集团公司第717研究所等研究机构均在连续相干激光探测技术上有所突破。

(二)商业路径

当前国内外市场上漂浮式激光测风雷达主要有两种商业路径:

第一条路线是由测风应用的需求方,如海洋环境研究机构或海洋环境监测服务供应商开发浮标平台系统,搭载成熟的激光测风雷达产品,共同构成漂浮式激光测风雷达系统,如荷兰FRGRO、德国Fraunhofer研制的浮标系统搭载了ZXLidar公司的ZX300M,国内憬知梦蓝公司搭载了牧镭激光的B300M。

第二条路线是由激光测风雷达厂商研发用于海上测风的激光测风雷达产品,通过定制浮标平台开发漂浮式激光测风雷达系统,如青岛华航的WindPrint V300K漂浮式激光测风雷达、牧镭激光的B300M等。

目前,国内漂浮式激光测风雷达厂商主要提供设备销售和租赁两种方式,经我们调研,目前含设备部署和运维服务的整套设备销售价格一般在400-700万元不等,含设备部署和运维的整套设备租赁价格一般在每年300-600万元左右。

(三)应用情况

首台用于海上风电测风的漂浮式激光雷达产品在2007年投入商业化应用后便开始在欧洲快速发展。2010年以来,漂浮式激光测风雷达开始逐步在我国海上风电投入应用。早期我国相关产业链不完善,技术水平较国外有一定差距,因此主要以进口设备为主,价格在八九百万左右。但国产漂浮式激光测风雷达凭借较高的性价比,在近年来已在产品质量和服务水平上有长足的发展。

目前,国家电投、中广核等国内海上风电投资运营企业在江苏、福建、广州等海上风电项目中大量采用了国产漂浮式激光测风雷达作为项目主要测风设备,国产漂浮式激光测风雷达的可靠性、稳定性得到了充分的验证。

(四)部署流程

漂浮式激光测风雷达从码头组装到完成部署周期一般在一至两周以内。在天气和海况良好的条件下,100公里内部署投放时间一般不超过两天一夜。其中5米直径以下浮标一般由货船运输至预定观测点位,由吊臂将漂浮式激光测风雷达投放下水;5米直径以上的大型漂浮式激光测风雷达由拖船拖曳至预定点位。

(五)技术标准现状

在行业标准上,OWA于2013年发布了《漂浮式激光测风了雷达路线图》,规定了漂浮式激光测风雷达投入商业应用三个测试阶段应达到的标准。该标准目前已被世界上大部分激光测风雷达厂商作为行业标准框架,当前已有多个产品通过第二阶段准商业认证,但尚无进入第三阶段商业认证的产品。IEC将在2023年初发布IEC 61400-50-4《漂浮式激光雷达测风标准》。

我国因漂浮式激光测风雷达发展较晚,技术标准与产业发展产生了一定的脱节,目前海上风能资源测量标准仅规定了海上测风塔的测量技术标准,尚没有漂浮式激光测风雷达相关标准。

四、发展趋势

我国海上风电在平价时代必将朝着精细化方向发展。因此,海上风电投资和运行企业基于投资成本、建设周期、施工作业安全性、海洋环境污染等因素的影响,将逐步采用更先进的漂浮式激光测风雷达代替传统海上测风塔。这不仅降低了海上风电项目开发前期经济成本和时间成本,还提高了风资源评估准确性,增加了项目投资信心。

“十四五”期间,我国将建成广东、福建、浙江、江苏、山东沿海五大海上风电地基。截至2022年6月底,我国沿海省份除福建、辽宁、河北三省外,广东、浙江、江苏、山东、广西以及海南均已发布了十四五海上风电发展规划和装机容量目标。预计“十四五”期间国内海上风电装机规模将达到15GW以上,漂浮式激光测风雷达产品的应用空间十分广阔。

目前,国家电投风电产业创新中心也在与中科院上海技物所联合开展应用于海上风场测风的漂浮式连续波激光测风雷达技术和产品的研发,并在积极参与国际标准制定,努力推进国内漂浮式动激光测风雷达在海上风电的规范应用。




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