风电场毫米波雷达技术研究及应用

风电场毫米波雷达技术研究及应用摘要：现阶段，“碳达峰，碳中和”发展战略的执行效果越发显著，再加上电力体制的改革工作持续深入，对我国风电行业的发展具有良好的推动作用。

本文以上述内容为基础，针对风电场毫米波雷达技术展开研究，分析毫米波雷达技术的关键作用，整理相关经验，给出针对性发展建议，希望能够为同领域工作者提供合理参考作用。

关键词：风电场；毫米波雷达技术；新能源开发与应用前言：风能作为重要的可再生清洁能源之一，在现代化电力系统中承载着越来越重要的电力支持任务。

其中，风场信息测量工作作为风电行业保持良好发展状态的重要内容，属于风电场内不可或缺的重要组成结构。

在风力发电机工作并获取风能的过程中，为进一步提升电能的实际生产效率，需借助传感技术，主动感知风速、风向信息，并辅助完成风机控制任务，及时校正偏航误差问题，通过这种方式准确控制风机的最终指向，达到提升发电总量的效果。

一、米波雷达测风基本原理常规情况下，风资源评估、风功率预测系统、风电场运营管理等内容均属于风力发电系统中的重要内容，因此，需要对300m范围内的所有风速风向信息进行全面探测[1]。

在传统类型的风场中，测风塔作为主要测量工具，发挥着重要作用，但是，因其建设成本相对较高，并且灵活度不足，在风场测量工作中存在较多不便，所以，需要找出一种更加便捷且准确的探测技术，完成测风任务。

基于此，以激光和声波技术为主的测风雷达设备在风力发电行业中的应用正变得越发广泛，但是，在实际使用过程中，同样存在一些问题会对探测效果造成影响，需要得到妥善处理。

本文以上述内容为背景，对现有新型测风技术及其产品进行详细说明，即毫米波测风雷达设备，该设备不仅可以在不同高度内准确测得风力信息，同时还可以保证自身在各种不良环境下保持稳定工作状态，保证最终测得数据的准确性。

在此期间，在实际使用的过程中还具有天候、雨天性能好、无噪声、低功耗等诸多使用优势，可以为相关企业和技术人员提供更为优质的辅助效果。

米波与激光具有一定的相似性，二者均属于电磁波，但是，在波长方面存在一定差异，并且雷达实现方式、测风原理以及性能方面同样存在明显区别。

对于激光雷达而言，大多需要通过光学器件实现探测目标；对应的米波则是需要借助集成电路与天线才能够实现探测目标，在使用性能方面和成本方面具有显著优势,在现有风电场中的测风适用性更强[2]。

对于毫米波产品而言，在人们生活中比较常见，如：车载雷达、5G通信、气象测云、军工导弹跟踪等诸多方面均有着十分广泛的运用，其中，度风科技则是业界第一次针对风电测风的实际需求进行研究，并首次将毫米波技术成功引进并应用到测风领域中，并且在本次试验过程中始终保持稳定工作状态，实际应用效果十分突出，不仅测得数据十分精确，同时测得的数据结果也不会轻易受到干扰，准确性较高。

对于毫米波而言，与激光、声波具有相似性，需要打出4个波束，然后借助风的运动，会随之产生一定程度的多普勒效应，此后再对同一高度内的四个波束径向风速、风向进行分解以及合成处理，最后则可以形成不同高度层的实际风速和风向结果，在风功率预测工作和风资源评估工作中的使用效果尤为突出，因此，可以认为米波测风雷达在使用功能方面与激光、声波和测风塔具有相似性。

但是，在测风原理方面又存在一定差异[3]。

对于毫米波雷达而言，在晴天环境和激光雷达的使用具有相似性，二者均需使用瑞利散射或者米氏散射才能完成测风任务，但是，在雨天环境或者布拉格效应影响下，毫米波雷达能够保持更为稳定的测风性能，使用效果更佳。

二、毫米波雷达概述（一）毫米波雷达主要分类1、制导雷达、火控雷达，此类型的雷达产品在部分亳米波波段的使用比较常见，主要原因在于可以进一步提升雷达设备的探测能力、降低雷达体积、控制设备重量和体积，集成效果更为突出；2、目标检测雷达，此类型的雷达设备，大多需要借助机械/电子波束进行扫描，才可以实现对目标观测区域与的距离、速度以及角度信息的有效探测，在为其配备相应的系统数据处理单元后，可以进一步实现对识别目标的(散射特性)信息判定，对应的跟踪和预测(kalman滤波、粒子滤波等)效果更为准确；3、米波对地观测雷达设备，此类型的雷达设备主要借助毫米波合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)完成检测任务，因此，该类型雷达设备可以完成对地成像观测任务，成功获取更加精准的地面区域SAR图像信息；4、米波近距探测雷达探测，此类型雷达设备可以对2米范围内的检测目标进行探测，并借助二维或三维成像技术完成相应检测任务[4]。

目前，此类型系统波段大多处于30～37.5GHz区段内、94～200GHz区段内或者THz波段区段内。

如：部分美国机场现有人体安检三维扫描雷达便是借助毫米波技术代替X光技术，达成对人体衣服内、皮肤外之间区域的检测成像任务，可以有效提升安保效果。

除上述内容外，还可以借助35GHz波段雷达或者94GHz以及THz波段雷达完成对部分特殊材料的检测任务，如：无损三维检测技术。

三、米波测风雷达技术及相关产品应用分析（一）VORTRAD-L300米波测风雷达产品介绍度风科技工作以目前风电行业对大气风场探测任务的迫切需求为基础，有针对性的研制出高集成度水平的毫米波测风雷达VORTRAD-L300产品[5]。

此雷达设备可以顺利完成风场范围内10-300米区间不同高度层的风力信息数据，在探测效率和精度方面具有显著的应用优势，并且测风过程中的操作更加灵敏探测。

在这样的情况下，将此雷达设备与传统类型的测风塔产品或者其他测风雷达技术展开对比，不仅可以满足前期阶段对测风和风功率预测的基本需求，同时，这种毫米波雷达还具有功耗更低，成本更低的使用优势，能够打破其他测风雷达技术应用存在的瓶颈，不再受到成本过高、雨天测风难度过高的问题，真正做到全天候工作，同时还可以更加广泛的应用在陆地和海上风资源方面的评估工作、风功率预测工作、风电场运营管理工作、大气物理研究工作、风切变预警工作以及其他方面的定制化风向工作、风速测量等方面，均有着十分突出的应用效果[6]。

（二）米波与测风塔的风场测风数据对比与传统类型的测风塔使用效果进行对比测试，可以进一步验证出现有毫米波测风雷达设备的探测精度、使用可靠性以及在不同天气环境(晴、阴、雨、雾)下的实际使用性能。

在本次试验中，采用对比实验方式，选用的观测仪器设备是由苏州度风科技公司生产的测风雷达VORTRAD-L300产品。

本次实验地点在深圳能源的江苏高邮风场完成，毫米波雷达与测风塔在2021年5月到2021年10月时间段完成大量测试任务，测风塔在10m、30m、50m、70m和140m高度层分别安装对应的测风仪装置，详细记录15min时间段内的平均风速值。

对比试验方式：为进一步提升比较验证结果的代表性，观测前对准备好的毫米波雷达VORTRAD-L300设备参数进行最后的调整，专门设置输出为：30m、50m、70m以及140m高度层对应的15min时间内平均风速数据值，并将其最终测得结果分别与测风塔得出的各个高度层数据值进行对比分析[7]。

在此期间，需要对某一段时间内的毫米波测风雷达和测风塔各个距离层最终测量结果进行最小二乘线性回归分析，并计算相关系数和决定最终系数R2。

（三）米波雷达在山区大天性能测试常规情况下，米波雷达具有传输速率更快、环境适应性更强、不受雨天环境、树叶或者噪声的影响、使用成本低和功能稳定性强等诸多使用优势，上述优点在贵州华能测试过程中均得到充分证明。

在本次测试中的设备和环境条件详情说明如下：本次测试设备的型号为：VORTRAD-L300型号，毫米波雷达设备安装在贵州某风场控制室建筑的楼顶区域，雷达波均保持垂直地面向上的整体，针对不同高度的风速控制和风向控制效果进行准确测量。

在本次试验中，测试场地处于乌江北源六冲河和南源三岔河上游区域，位于滇东高原向黔中山地丘陵过度的乌蒙山区倾斜地带，此地平均海拔为1100米左右。

在试验过程中，试验结果会受到大气环流以及地形造成的影响，再加上此地区灾害性天气类型较多，凝冻以及冰雹频度较高，在2022年2月中旬左右，便累计出现4次冻雨，其中，雨夹雪共计5次，下雪天气已经达到8天，小雨以上的恶劣天气在12天左右，此后，在初春3月，时间截止至3月19日，19天时间内有17天的天气为多云或者阴天。

除上述内容外，山地下垫面产生的动力和热力作用同样会形成影响，导致大气稳定度不足，流场不稳定现象十分明显，再加上不同位置即使其距离较近，所以风速和风向在实际探测过程中均会呈现出一定程度的差异，导致最终探测结果受到影响。

与此同时，因为地势比较特殊的原因，贵州山地中出现大雾概率较高，这种情况同样会对日常生活以及探测工作造成一定程度的不良影响，阻碍效果十分显著。

在正式测试过程中，使用毫米波雷达设备在2月17日到3月18日期间探测风速值和风向数据值，此时毫米波雷达专门探测高度在60米、80米以及160米情况下的相关数值，同时，因为毫米波雷达能够测到300米高度的使用优势，可以在需要绘图的情况下做出更为深入的了解，本文不涉及绘图，所以不予研究。

由上述内容可知，在风速测量方面，米波雷达设备在数据的探测实时性方面具有显著优势，在整个时间段内，随着测量高度的持续增加，现场测量风速的持续变大，最终探测结果并未出现偏离度过高的情况，与山区特点匹配性极高，所以，最终探测结果十分准确。

毫米波风向探测过程中，借助可视化高度60米、80米、160米以及300米点位的数据分析，即使高处的风向准确性不足，辨认难度较高，但是，在2月16日至3月13日期间、3月15日至3月17日期间的风向数据展开分析后，可以了解到风向会随着时间的不断发展而不断变大。

这种情况可以充分说明山区风湍流强度的发展和变化趋势，由于该数据可以作为风场测风结果的重要指标，所以，可以充分说明毫米波在测量风湍流强度方面具有十分突出的使用价值和优势。

本次试验的最终测试结果表明，毫米波测风雷达设备取得了十分优质的测试结果。

在本次测试中，经历多种不同类型的恶劣天气条件，共计耗时1个月(2月17日到3月18日)，恶劣天气主要包括：凝冻天气、降雪天气、雨天、大雾等天气类型，米波雷达设备在上述天气环境中均可以保持自身稳定的工作状态，不间断的进行数据输出，同时还可以为风电场提供高达300米高度以内的不同高度风速信息和风向信息，并对所在区域内的风资源做出准确评估，对风功率进行合理预测，进而为电厂正常稳定的运行提供有效保障作用。

试验结论：米波雷达可以实现低成本、低功耗、更高探测距离和天气适应性的全天候测量目标，应用效果良好。

结语：综上所述，本文以风电行业在测风方面的实际需求为基础，针对风场风力资源评估的实际要求进行分析，同时对苏州度风科技有限公司研发的毫米波测风雷达进行详细介绍，说明此雷达的主要技术路线，并利用毫米波在雨雾天的性能优势，完成试验任务。