摘要：在过去十多年中，随着风能行业的不断发展和激光雷达的技术进步，激光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。作为全球市场占有率最高的激光雷达，法国LEOSPHERE研发的WindCube^®激光雷达产品，能够提供准确、可靠的数据和技术支撑，满足行业对于风速测量的需求。在很大程度上，WindCube的产品推广和技术创新，极大推动了激光雷达的发展和应用，使得激光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。当前，激光雷达正在改变我们风能行业的测风习惯，并不断创造更多的附加价值。

关键词：激光雷达、风能、风资源评估、功率曲线

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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，截止2019年底，中国风电总装机容量已经到达210.05GW[1]，位于世界第一位，远远超过第二位美国105.6GW的装机容量[2]。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：

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激光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[3]

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激光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对激光雷达和测风塔不确定性的分析（Ecofys为欧洲成长型企业500强Econcern集团旗下子公司，图表选自Ecofys报告，并译成中文。）[4]

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激光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。

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激光雷达，可以增加项目融资机会。使用激光雷达，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。

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激光雷达，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  WindCube安装在野外的照片

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激光雷达简介

WindCube系列激光雷达，可以分为以下四个产品线：垂直式激光雷达、机舱式激光雷达、扫描式激光雷达、控制式激光雷达，四种产品的基本参数如下表所示。

表1  WindCube系列激光雷达的基本参数表

类型	垂直式	机舱式	扫描式	控制式
量程	40-290m	50-700m	14km	50-200m
频率	1Hz	1Hz	10Hz	4Hz
最小时间分辨率	1秒	1秒	0.1秒	0.25秒
数据层数	12个	10个	最大320个	10个
风速精度	0.1m/s	0.1m/s	0.1m/s	0.1m/s

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垂直式激光雷达

垂直式激光雷达，可测量垂直上空290米高度内的风速风向。WindCube垂直式激光雷达，在全球市场同类产品的占有率第一，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。

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机舱式激光雷达

机舱式激光雷达，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。

2020年最新推出的WindCube Nacelle机舱式激光雷达，具有长达700米的测量距离，是现在市场上唯一能达到如此长距离，并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雷达，尤其适用于海上大机组的功率曲线测试。

扫描式激光雷达，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4  扫描激光雷达在海上风电场的照片（上图）与风速结果图（下图）

激光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。