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陳瑋:漂浮式激光測風雷達技術概述及應用現狀分析

放大字體  縮小字體 發布日期:2022-08-18  瀏覽次數:2931

一、發展背景

在過去十多年中,隨著風能行業的不斷發展和激光測風雷達的技術進步,激光測風雷達在風能領域得到了行業專家的普遍認可,廣泛應用于各種場景,在陸地和海上風電場都有大量的應用案例。在過去,風電行業主要依賴傳統的測風塔進行風速測量和風資源的評估,現在激光測風雷達不僅被行業普遍接受,而且已經成為必不可少的測風技術和手段。其在海上風電領域主要應用于海上風電項目前期測風、海上風電施工氣象監測、海上風電風功率預測等方面。

在“3060”國家目標和構建以新能源為主體的新型電力系統背景下,我國海上風電逐步向深遠海發展。隨著海上風電平價上網時代的來臨,海上風電大規模開發已成必然趨勢。由于傳統海上測風塔在深遠海區域面臨建設難度大、造價高等問題,漂浮式激光測風雷達已逐步成為支撐海上風電建設和運維的關鍵基礎裝備。

在此之前,激光測風雷達已被廣泛應用于各個領域,如環境氣象監測、航空氣象和風場監測等。在風能領域,激光測風雷達在陸上風資源測量、功率曲線測試、風機前饋控制、尾流分析上已有成熟應用。海上漂浮式激光測風雷達發展起步晚,但產業化發展快。相較于傳統海上測風塔,主要具有兩個優勢:

第一,激光測風雷達可以準確測量整個葉輪高度的風速。以前,海上風電機組輪轂的高度通常在80米左右,而現在輪轂高度已經超過120米,葉輪直徑也不斷增加。海上測風塔測量高度層固定,難以等距覆蓋葉輪掃掠范圍。漂浮式激光測風雷達能夠任意設置測量高度,測量數據可以用于葉輪等效風速計算,大幅提高海上風能資源評估的準確性。

第二,漂浮式激光測風雷達易于維護,能夠保證測風周期內的準確性。海上測風塔由于可達性較差,在常年測風周期內其搭載的風速、風向等傳感器難以定期維護和標定,導致誤差不斷增大。而漂浮式激光測風雷達可以通過遠程調試或現場維護標定使其準確性維持在較高水平。

第三,漂浮式激光測風雷達相較海上測風塔,避免了建造、安裝及拆除過程中的復雜工序。海上測風塔不僅建造成本高昂,拆除后對海洋環境也會產生較大負面影響。當前一座120米高度的海上測風塔造價約在1500萬元左右,使用漂浮式激光測風雷達不僅價格便宜,還可以在不同項目重復利用,有效降低海上風電項目前期成本。

二、技術概述

漂浮式激光測風雷達主要由浮標平臺和其搭載的激光測風雷達構成。激光測風雷達是風場測量的關鍵核心設備,浮標用于保證激光測風雷達在海上的安全穩定運行。深遠海漂浮式激光測風雷達需要解決的關鍵技術主要有三項:一是能夠準確測量風場信息激光測風雷達探測技術;二是能克服海浪影響準確獲取實際風速和風向信息姿態和位移補償算法;三是支持激光測風雷達在海上環境安全穩定運行的浮標平臺。

(一)激光測風雷達探測技術

在保證探測精度方面,市面上主流的激光測風雷達均采用多普勒相干探測技術,即用激光雷達發射激光束到空氣中,運動的氣溶膠顆粒會使反射波發生多普勒頻移現象,再通過激光雷達對反射波進行處理,就可以解析出其中所含的風速與風向信息。激光相干多普勒測風技術是目前精細風場測量的最佳技術途徑,目前應用相干探測原理的多普勒測風激光雷達主要分為兩種探測模式:連續波相干探測和脈沖相干探測。

其中脈沖雷達發射的波形為矩形脈沖,按一定的或交錯的重復周期工作,是目前應用最廣泛的雷達信號形式。常規脈沖雷達發射周期性的高頻脈沖,通過間歇式發射脈沖周期信號,并且在發射的間隙接收反射的回波信號。

而連續波雷達發射連續的正弦波,并且發射的同時可以接收發射回來的回波信號,即收發可以同時進行。

現階段脈沖相干測風激光雷達雖有著50m至10km較為寬廣的測量區間的優勢,但由于所發射的脈沖激光有著能量高、窄線寬等特點,近場測量數據會有非常強的噪聲干擾,以致較低的信噪比致使數據無法使用,因此脈沖相干測風激光雷達系統存在著近場風場的測量盲區。同時脈沖式激光雷達測量時間極短,信噪比很低,需要數百或者數千次測量累積才能實現足夠的信噪比,難以用于姿態不斷變化的漂浮式平臺。

連續相干探測與脈沖相干探測幾乎同時起步和發展。雖然連續波相干測風激光雷達發出的連續激光瞬時強度不及脈沖光,且需要聚焦在測量點處,探測距離短,但優勢在于無近距離的探測盲區,因此多適用于近場風場探測。

另外,由于連續波相干測風技術利用望遠鏡調焦機構實現不同距離探測,這種技術體制下,極大地減小了由于激光自身頻率展寬對風速測量精度帶來的影響,可以實現更高精度的風速測量,同時該體制的數據采集模式可以實現短時間內的多次測量,更適用于姿態低頻變化的漂浮式平臺。

(二)姿態和位移補償算法

海上風能資源測量準確測量的關鍵是要保證激光雷達在風場測量時的精確度。由于激光測風雷達在海上隨浮標平臺運動,激光徑向測量位置的偏差、系統本身的運動速度等因素都會在觀測到的原始數據中引入誤差。為避免激光測風雷達運動引起觀測數據的誤差,目前國內外漂浮式激光測風雷達均采用實時姿態與速度補償算法對觀測誤差進行實時校正。利用搭載的GNSS和高精度慣導獲得實時浮標姿態信息,如浮標位置、移動速度和姿態角等信息,結合激光雷達伺服系統記錄的浮標坐標系下的光束掃描俯仰角和方位角,經過坐標系變換矩陣分析,剔除浮標運動引起的徑向分量,從而得到真實的徑向風速。校正后的徑向風速通過風場反演方法,如DBS風場反演方法、VAD風場擬合方法等得到真實的大氣風場。

(三)浮標平臺

浮標平臺是構成漂浮式激光測風雷達的主要部件,直徑從3米到10米不等,一般直徑4米以上的大中型浮標還會搭載潮位儀、海流、海浪傳感器的多種海洋傳感器,用于進行海洋環境觀測。浮標平臺為激光測風雷達提供了供電、通信、監控等基本功能。其中供電系統一般由光伏電池板、小型風力發電機、蓄電池、燃料電池等組成,滿足激光測風雷達長時間海上運行要求。通信系統方面,由于我國深遠海地區一般無移動通訊網絡信號覆蓋,國內漂浮式激光測風雷達數據通訊一般采用天通衛星或北斗短報文完成數據回傳,受民用衛星通訊帶寬限制,目前或內漂浮式激光測風雷達還無法實現數據實時回傳。

三、應用情況

2008年,英國能源與氣候變化部、蘇格蘭政府、碳信托(Carbon Trust)公司及9家海上風電開發商設立了海上風電促進(Offshore Wind Accelerator)項目,簡稱OWA,該項目致力于在2015年降低10 %的海上風電開發成本,在OWA推動下,歐洲及美國的多個企業及單位開始在漂浮式激光測風雷達領域的研究,國內的牧鐳激光、鐳測創芯等在激光探測領域起步較早的公司也開始了漂浮式激光測風雷達的產品研發。

(一)技術體制

在探測技術體制上,當前市場上較成熟的產品如法國LEOSPHERE WindCube V3、牧雷激光Molas B300M、鐳測創芯WindMast 350-M、青島華航WindPrint V300K等產品均采用脈沖相干探測技術體制,技術較為成熟。英國ZXLidar是唯一將連續波多普勒相干探測技術體制產業化的公司,ZXLidar公司在其ZX300型地基式激光測風雷達的基礎上改進出ZX300M用于海上測風。

國內對于連續波激光應用在相干測風激光雷達上也有著持續的關注,但是研究起步較晚,仍處在系統仿真優化和樣機性能測試階段,尚無成熟的連續相干激光雷達產品供應市場。中國電子科技集團第27研究所、西南技術物理研究所、中國科學院光電技術研究所、中國科學技術大學、中國船舶重工集團公司第717研究所等研究機構均在連續相干激光探測技術上有所突破。

(二)商業路徑

當前國內外市場上漂浮式激光測風雷達主要有兩種商業路徑:

第一條路線是由測風應用的需求方,如海洋環境研究機構或海洋環境監測服務供應商開發浮標平臺系統,搭載成熟的激光測風雷達產品,共同構成漂浮式激光測風雷達系統,如荷蘭FRGRO、德國Fraunhofer研制的浮標系統搭載了ZXLidar公司的ZX300M,國內憬知夢藍公司搭載了牧鐳激光的B300M。

第二條路線是由激光測風雷達廠商研發用于海上測風的激光測風雷達產品,通過定制浮標平臺開發漂浮式激光測風雷達系統,如青島華航的WindPrint V300K漂浮式激光測風雷達、牧鐳激光的B300M等。

目前,國內漂浮式激光測風雷達廠商主要提供設備銷售和租賃兩種方式,經我們調研,目前含設備部署和運維服務的整套設備銷售價格一般在400-700萬元不等,含設備部署和運維的整套設備租賃價格一般在每年300-600萬元左右。

(三)應用情況

首臺用于海上風電測風的漂浮式激光雷達產品在2007年投入商業化應用后便開始在歐洲快速發展。2010年以來,漂浮式激光測風雷達開始逐步在我國海上風電投入應用。早期我國相關產業鏈不完善,技術水平較國外有一定差距,因此主要以進口設備為主,價格在八九百萬左右。但國產漂浮式激光測風雷達憑借較高的性價比,在近年來已在產品質量和服務水平上有長足的發展。

目前,國家電投、中廣核等國內海上風電投資運營企業在江蘇、福建、廣州等海上風電項目中大量采用了國產漂浮式激光測風雷達作為項目主要測風設備,國產漂浮式激光測風雷達的可靠性、穩定性得到了充分的驗證。

(四)部署流程

漂浮式激光測風雷達從碼頭組裝到完成部署周期一般在一至兩周以內。在天氣和海況良好的條件下,100公里內部署投放時間一般不超過兩天一夜。其中5米直徑以下浮標一般由貨船運輸至預定觀測點位,由吊臂將漂浮式激光測風雷達投放下水;5米直徑以上的大型漂浮式激光測風雷達由拖船拖曳至預定點位。

(五)技術標準現狀

在行業標準上,OWA于2013年發布了《漂浮式激光測風了雷達路線圖》,規定了漂浮式激光測風雷達投入商業應用三個測試階段應達到的標準。該標準目前已被世界上大部分激光測風雷達廠商作為行業標準框架,當前已有多個產品通過第二階段準商業認證,但尚無進入第三階段商業認證的產品。IEC將在2023年初發布IEC 61400-50-4《漂浮式激光雷達測風標準》。

我國因漂浮式激光測風雷達發展較晚,技術標準與產業發展產生了一定的脫節,目前海上風能資源測量標準僅規定了海上測風塔的測量技術標準,尚沒有漂浮式激光測風雷達相關標準。

四、發展趨勢

我國海上風電在平價時代必將朝著精細化方向發展。因此,海上風電投資和運行企業基于投資成本、建設周期、施工作業安全性、海洋環境污染等因素的影響,將逐步采用更先進的漂浮式激光測風雷達代替傳統海上測風塔。這不僅降低了海上風電項目開發前期經濟成本和時間成本,還提高了風資源評估準確性,增加了項目投資信心。

“十四五”期間,我國將建成廣東、福建、浙江、江蘇、山東沿海五大海上風電地基。截至2022年6月底,我國沿海省份除福建、遼寧、河北三省外,廣東、浙江、江蘇、山東、廣西以及海南均已發布了十四五海上風電發展規劃和裝機容量目標。預計“十四五”期間國內海上風電裝機規模將達到15GW以上,漂浮式激光測風雷達產品的應用空間十分廣闊。

目前,國家電投風電產業創新中心也在與中科院上海技物所聯合開展應用于海上風場測風的漂浮式連續波激光測風雷達技術和產品的研發,并在積極參與國際標準制定,努力推進國內漂浮式動激光測風雷達在海上風電的規范應用。




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