平價時代，業(yè)主單位在進行風(fēng)電開發(fā)建設(shè)最重視的就是內(nèi)部收益率，而影響內(nèi)部收益率最主要的因素就是風(fēng)資源，如何精準的進行風(fēng)資源的測量，準確測算出內(nèi)部收益率非常重要。

未來，漂浮式激光測風(fēng)雷達將在深遠海風(fēng)能資源測量、機組功率曲線測試、海上氣象保障中發(fā)揮很重要的作用。相對于傳統(tǒng)海上測風(fēng)塔，漂浮式激光測風(fēng)雷達有造價低，部署簡單，運維方便，易回收等優(yōu)勢。同時，漂浮式激光測風(fēng)雷達可以發(fā)揮可自定義測量層的優(yōu)勢，為準確計算葉輪等效風(fēng)速提供依據(jù)，從而幫助投資企業(yè)在平價時代更好地測算項目收益。當(dāng)前，國內(nèi)漂浮式激光測風(fēng)雷達設(shè)備憑借較高的性價比已在國內(nèi)有廣泛的應(yīng)用，國產(chǎn)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性已得到充分驗證。但是由于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，目前國內(nèi)還沒有海上漂浮式激光測風(fēng)雷達的相關(guān)技術(shù)標準。

——國家電投風(fēng)電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心陳瑋

國家電投風(fēng)電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心 陳瑋

一、發(fā)展背景

在過去十多年中，隨著風(fēng)能行業(yè)的不斷發(fā)展和激光測風(fēng)雷達的技術(shù)進步，激光測風(fēng)雷達在風(fēng)能領(lǐng)域得到了行業(yè)專家的普遍認可，廣泛應(yīng)用于各種場景，在陸地和海上風(fēng)電場都有大量的應(yīng)用案例。在過去，風(fēng)電行業(yè)主要依賴傳統(tǒng)的測風(fēng)塔進行風(fēng)速測量和風(fēng)資源的評估，現(xiàn)在激光測風(fēng)雷達不僅被行業(yè)普遍接受，而且已經(jīng)成為必不可少的測風(fēng)技術(shù)和手段。其在海上風(fēng)電領(lǐng)域主要應(yīng)用于海上風(fēng)電項目前期測風(fēng)、海上風(fēng)電施工氣象監(jiān)測、海上風(fēng)電風(fēng)功率預(yù)測等方面。

在“3060”國家目標和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下，我國海上風(fēng)電逐步向深遠海發(fā)展。隨著海上風(fēng)電平價上網(wǎng)時代的來臨，海上風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)已成必然趨勢。由于傳統(tǒng)海上測風(fēng)塔在深遠海區(qū)域面臨建設(shè)難度大、造價高等問題，漂浮式激光測風(fēng)雷達已逐步成為支撐海上風(fēng)電建設(shè)和運維的關(guān)鍵基礎(chǔ)裝備。

在此之前，激光測風(fēng)雷達已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如環(huán)境氣象監(jiān)測、航空氣象和風(fēng)場監(jiān)測等。在風(fēng)能領(lǐng)域，激光測風(fēng)雷達在陸上風(fēng)資源測量、功率曲線測試、風(fēng)機前饋控制、尾流分析上已有成熟應(yīng)用。海上漂浮式激光測風(fēng)雷達發(fā)展起步晚，但產(chǎn)業(yè)化發(fā)展快。相較于傳統(tǒng)海上測風(fēng)塔，主要具有兩個優(yōu)勢：

第一，激光測風(fēng)雷達可以準確測量整個葉輪高度的風(fēng)速。以前，海上風(fēng)電機組輪轂的高度通常在80米左右，而現(xiàn)在輪轂高度已經(jīng)超過120米，葉輪直徑也不斷增加。海上測風(fēng)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(fēng)雷達能夠任意設(shè)置測量高度，測量數(shù)據(jù)可以用于葉輪等效風(fēng)速計算，大幅提高海上風(fēng)能資源評估的準確性。

第二，漂浮式激光測風(fēng)雷達易于維護，能夠保證測風(fēng)周期內(nèi)的準確性。海上測風(fēng)塔由于可達性較差，在常年測風(fēng)周期內(nèi)其搭載的風(fēng)速、風(fēng)向等傳感器難以定期維護和標定，導(dǎo)致誤差不斷增大。而漂浮式激光測風(fēng)雷達可以通過遠程調(diào)試或現(xiàn)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(fēng)雷達相較海上測風(fēng)塔，避免了建造、安裝及拆除過程中的復(fù)雜工序。海上測風(fēng)塔不僅建造成本高昂，拆除后對海洋環(huán)境也會產(chǎn)生較大負面影響。當(dāng)前一座120米高度的海上測風(fēng)塔造價約在1500萬元左右，使用漂浮式激光測風(fēng)雷達不僅價格便宜，還可以在不同項目重復(fù)利用，有效降低海上風(fēng)電項目前期成本。

二、技術(shù)概述

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

（一）激光測風(fēng)雷達探測技術(shù)

在保證探測精度方面，市面上主流的激光測風(fēng)雷達均采用多普勒相干探測技術(shù)，即用激光雷達發(fā)射激光束到空氣中，運動的氣溶膠顆粒會使反射波發(fā)生多普勒頻移現(xiàn)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(fēng)速與風(fēng)向信息。激光相干多普勒測風(fēng)技術(shù)是目前精細風(fēng)場測量的最佳技術(shù)途徑，目前應(yīng)用相干探測原理的多普勒測風(fēng)激光雷達主要分為兩種探測模式：連續(xù)波相干探測和脈沖相干探測。

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

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

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

連續(xù)相干探測與脈沖相干探測幾乎同時起步和發(fā)展。雖然連續(xù)波相干測風(fēng)激光雷達發(fā)出的連續(xù)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(yōu)勢在于無近距離的探測盲區(qū)，因此多適用于近場風(fēng)場探測。

另外，由于連續(xù)波相干測風(fēng)技術(shù)利用望遠鏡調(diào)焦機構(gòu)實現(xiàn)不同距離探測，這種技術(shù)體制下，極大地減小了由于激光自身頻率展寬對風(fēng)速測量精度帶來的影響,可以實現(xiàn)更高精度的風(fēng)速測量，同時該體制的數(shù)據(jù)采集模式可以實現(xiàn)短時間內(nèi)的多次測量，更適用于姿態(tài)低頻變化的漂浮式平臺。

（二）姿態(tài)和位移補償算法

海上風(fēng)能資源測量準確測量的關(guān)鍵是要保證激光雷達在風(fēng)場測量時的精確度。由于激光測風(fēng)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(tǒng)本身的運動速度等因素都會在觀測到的原始數(shù)據(jù)中引入誤差。為避免激光測風(fēng)雷達運動引起觀測數(shù)據(jù)的誤差，目前國內(nèi)外漂浮式激光測風(fēng)雷達均采用實時姿態(tài)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(dǎo)獲得實時浮標姿態(tài)信息，如浮標位置、移動速度和姿態(tài)角等信息，結(jié)合激光雷達伺服系統(tǒng)記錄的浮標坐標系下的光束掃描俯仰角和方位角，經(jīng)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(fēng)速。校正后的徑向風(fēng)速通過風(fēng)場反演方法，如DBS風(fēng)場反演方法、VAD風(fēng)場擬合方法等得到真實的大氣風(fēng)場。

（三）浮標平臺

浮標平臺是構(gòu)成漂浮式激光測風(fēng)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(huán)境觀測。浮標平臺為激光測風(fēng)雷達提供了供電、通信、監(jiān)控等基本功能。其中供電系統(tǒng)一般由光伏電池板、小型風(fēng)力發(fā)電機、蓄電池、燃料電池等組成，滿足激光測風(fēng)雷達長時間海上運行要求。通信系統(tǒng)方面，由于我國深遠海地區(qū)一般無移動通訊網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，國內(nèi)漂浮式激光測風(fēng)雷達數(shù)據(jù)通訊一般采用天通衛(wèi)星或北斗短報文完成數(shù)據(jù)回傳，受民用衛(wèi)星通訊帶寬限制，目前或內(nèi)漂浮式激光測風(fēng)雷達還無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時回傳。

三、應(yīng)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(fēng)電開發(fā)商設(shè)立了海上風(fēng)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(fēng)電開發(fā)成本，在OWA推動下，歐洲及美國的多個企業(yè)及單位開始在漂浮式激光測風(fēng)雷達領(lǐng)域的研究，國內(nèi)的牧鐳激光、鐳測創(chuàng)芯等在激光探測領(lǐng)域起步較早的公司也開始了漂浮式激光測風(fēng)雷達的產(chǎn)品研發(fā)。

（一）技術(shù)體制

在探測技術(shù)體制上，當(dāng)前市場上較成熟的產(chǎn)品如法國LEOSPHERE WindCube V3、牧雷激光Molas B300M、鐳測創(chuàng)芯W(wǎng)indMast 350-M、青島華航WindPrint V300K等產(chǎn)品均采用脈沖相干探測技術(shù)體制，技術(shù)較為成熟。英國ZXLidar是唯一將連續(xù)波多普勒相干探測技術(shù)體制產(chǎn)業(yè)化的公司，ZXLidar公司在其ZX300型地基式激光測風(fēng)雷達的基礎(chǔ)上改進出ZX300M用于海上測風(fēng)。

國內(nèi)對于連續(xù)波激光應(yīng)用在相干測風(fēng)激光雷達上也有著持續(xù)的關(guān)注，但是研究起步較晚，仍處在系統(tǒng)仿真優(yōu)化和樣機性能測試階段，尚無成熟的連續(xù)相干激光雷達產(chǎn)品供應(yīng)市場。中國電子科技集團第27研究所、西南技術(shù)物理研究所、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國船舶重工集團公司第717研究所等研究機構(gòu)均在連續(xù)相干激光探測技術(shù)上有所突破。

（二）商業(yè)路徑

當(dāng)前國內(nèi)外市場上漂浮式激光測風(fēng)雷達主要有兩種商業(yè)路徑：

第一條路線是由測風(fēng)應(yīng)用的需求方，如海洋環(huán)境研究機構(gòu)或海洋環(huán)境監(jiān)測服務(wù)供應(yīng)商開發(fā)浮標平臺系統(tǒng)，搭載成熟的激光測風(fēng)雷達產(chǎn)品，共同構(gòu)成漂浮式激光測風(fēng)雷達系統(tǒng)，如荷蘭FRGRO、德國Fraunhofer研制的浮標系統(tǒng)搭載了ZXLidar公司的ZX300M，國內(nèi)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(fēng)雷達廠商研發(fā)用于海上測風(fēng)的激光測風(fēng)雷達產(chǎn)品，通過定制浮標平臺開發(fā)漂浮式激光測風(fēng)雷達系統(tǒng)，如青島華航的WindPrint V300K漂浮式激光測風(fēng)雷達、牧鐳激光的B300M等。

目前，國內(nèi)漂浮式激光測風(fēng)雷達廠商主要提供設(shè)備銷售和租賃兩種方式，經(jīng)我們調(diào)研，目前含設(shè)備部署和運維服務(wù)的整套設(shè)備銷售價格一般在400-700萬元不等，含設(shè)備部署和運維的整套設(shè)備租賃價格一般在每年300-600萬元左右。

（三）應(yīng)用情況

首臺用于海上風(fēng)電測風(fēng)的漂浮式激光雷達產(chǎn)品在2007年投入商業(yè)化應(yīng)用后便開始在歐洲快速發(fā)展。2010年以來，漂浮式激光測風(fēng)雷達開始逐步在我國海上風(fēng)電投入應(yīng)用。早期我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈不完善，技術(shù)水平較國外有一定差距，因此主要以進口設(shè)備為主，價格在八九百萬左右。但國產(chǎn)漂浮式激光測風(fēng)雷達憑借較高的性價比，在近年來已在產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)水平上有長足的發(fā)展。

目前，國家電投、中廣核等國內(nèi)海上風(fēng)電投資運營企業(yè)在江蘇、福建、廣州等海上風(fēng)電項目中大量采用了國產(chǎn)漂浮式激光測風(fēng)雷達作為項目主要測風(fēng)設(shè)備，國產(chǎn)漂浮式激光測風(fēng)雷達的可靠性、穩(wěn)定性得到了充分的驗證。

（四）部署流程

漂浮式激光測風(fēng)雷達從碼頭組裝到完成部署周期一般在一至兩周以內(nèi)。在天氣和海況良好的條件下，100公里內(nèi)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(yù)定觀測點位，由吊臂將漂浮式激光測風(fēng)雷達投放下水；5米直徑以上的大型漂浮式激光測風(fēng)雷達由拖船拖曳至預(yù)定點位。

（五）技術(shù)標準現(xiàn)狀

在行業(yè)標準上，OWA于2013年發(fā)布了《漂浮式激光測風(fēng)了雷達路線圖》，規(guī)定了漂浮式激光測風(fēng)雷達投入商業(yè)應(yīng)用三個測試階段應(yīng)達到的標準。該標準目前已被世界上大部分激光測風(fēng)雷達廠商作為行業(yè)標準框架，當(dāng)前已有多個產(chǎn)品通過第二階段準商業(yè)認證，但尚無進入第三階段商業(yè)認證的產(chǎn)品。IEC將在2023年初發(fā)布IEC 61400-50-4《漂浮式激光雷達測風(fēng)標準》。

我國因漂浮式激光測風(fēng)雷達發(fā)展較晚，技術(shù)標準與產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了一定的脫節(jié)，目前海上風(fēng)能資源測量標準僅規(guī)定了海上測風(fēng)塔的測量技術(shù)標準，尚沒有漂浮式激光測風(fēng)雷達相關(guān)標準。

四、發(fā)展趨勢

我國海上風(fēng)電在平價時代必將朝著精細化方向發(fā)展。因此，海上風(fēng)電投資和運行企業(yè)基于投資成本、建設(shè)周期、施工作業(yè)安全性、海洋環(huán)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(fēng)雷達代替?zhèn)鹘y(tǒng)海上測風(fēng)塔。這不僅降低了海上風(fēng)電項目開發(fā)前期經(jīng)濟成本和時間成本，還提高了風(fēng)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(fēng)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(fā)布了十四五海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃和裝機容量目標。預(yù)計“十四五”期間國內(nèi)海上風(fēng)電裝機規(guī)模將達到15GW以上，漂浮式激光測風(fēng)雷達產(chǎn)品的應(yīng)用空間十分廣闊。

目前，國家電投風(fēng)電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心也在與中科院上海技物所聯(lián)合開展應(yīng)用于海上風(fēng)場測風(fēng)的漂浮式連續(xù)波激光測風(fēng)雷達技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)，并在積極參與國際標準制定，努力推進國內(nèi)漂浮式動激光測風(fēng)雷達在海上風(fēng)電的規(guī)范應(yīng)用。