Liu Qingyuan, Wu Songhua, Zhang Kailin,et al. Offshore wind turbine wake characteristics analysis using single-double gaussianmodel based on wind lidar measurements[J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2021, 16(1): 44-57.

劉清媛，吳松華，張凱臨，等.基于單–雙高斯模型擬合法的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)海上風(fēng)電機(jī)組尾流特征分析[J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào), 2021,16(1): 44-57.

當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)風(fēng)電機(jī)組的掃風(fēng)平面時(shí)，風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)處產(chǎn)生的尾流效應(yīng)會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率、疲勞載荷產(chǎn)生不同程度的影響?；谙喔啥嗥绽諟y(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在江蘇某海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展全天候風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。由于緊鄰風(fēng)電機(jī)組的尾流垂直截面上風(fēng)速呈雙高斯分布規(guī)律，利用傳統(tǒng)單高斯擬合算法存在計(jì)算誤差較大，無(wú)法反映真實(shí)流場(chǎng)風(fēng)速變化規(guī)律，提出了一種單-雙高斯模型擬合改進(jìn)算法，分析了目標(biāo)風(fēng)電機(jī)組尾流的尾流寬度、風(fēng)速損失率和尾流長(zhǎng)度等參數(shù)特征，研究結(jié)果驗(yàn)證了單-雙高斯擬合算法對(duì)尾流橫向風(fēng)速擬合的可行性和準(zhǔn)確性。

中國(guó)海洋大學(xué)激光雷達(dá)團(tuán)隊(duì)從理論研究、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與激光雷達(dá)算法研究方面，利用自主研發(fā)的相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組尾流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，對(duì)風(fēng)機(jī)尾流的擴(kuò)散效應(yīng)，尾流長(zhǎng)度、寬度和風(fēng)速損失率等進(jìn)行特性分析，為風(fēng)電行業(yè)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可視化支持。

一、算法原理

運(yùn)用相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)獲取海上風(fēng)場(chǎng)的徑向風(fēng)速信息，通過(guò)VAD（Velocity azimuth display）風(fēng)場(chǎng)反演算法可以得到真實(shí)風(fēng)場(chǎng)的主風(fēng)向和背景風(fēng)速，可以進(jìn)一步獲取目標(biāo)風(fēng)電機(jī)組的尾流數(shù)據(jù)，運(yùn)用高斯擬合算法可以實(shí)現(xiàn)尾流垂直截面上橫向風(fēng)速數(shù)據(jù)的擬合分析，從而獲取尾流特征參數(shù)。（1）VAD風(fēng)場(chǎng)反演算法

在相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，假設(shè)不同高度大氣風(fēng)場(chǎng)是均勻的，選取同一高度上的徑向風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過(guò)正弦擬合得出激光雷達(dá)徑向風(fēng)速隨方位角的變化信息，該方法為VAD風(fēng)場(chǎng)反演方法

（2）高斯模型擬合算法

     定義主風(fēng)向?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組尾流的縱向，尾流沿縱向擴(kuò)散，尾流橫向上的風(fēng)速為水平并且垂直于主風(fēng)向的風(fēng)速，將尾流區(qū)分成若干個(gè)垂直截面，獲取每個(gè)垂直截面的橫向風(fēng)速，對(duì)每一組尾流風(fēng)速進(jìn)行高斯擬合處理。對(duì)于工作狀態(tài)的風(fēng)電機(jī)組而言，來(lái)流風(fēng)向與風(fēng)電機(jī)組掃風(fēng)平面的夾角和風(fēng)電機(jī)組自身變槳都將影響葉片后方尾流風(fēng)速分布和尾流大小，導(dǎo)致尾流中心兩邊的風(fēng)速損失不均，緊鄰風(fēng)電機(jī)組尾流垂直截面上風(fēng)速分布是不對(duì)稱、不規(guī)則的雙高斯線型，因此對(duì)傳統(tǒng)對(duì)稱雙高斯模型做出改進(jìn)。

（3）算法實(shí)現(xiàn)

單-雙高斯擬合算法在傳統(tǒng)單高斯擬合的基礎(chǔ)上，對(duì)單高斯擬合進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)加入雙高斯擬合算法，對(duì)單高斯擬合精度不足的單個(gè)尾流垂直截面數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，提高擬合精度，減小擬合誤差, 單-雙高斯擬合.

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)置

中國(guó)海洋大學(xué)激光雷達(dá)團(tuán)隊(duì)于2017年10月至11月在江蘇某海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展風(fēng)電機(jī)組尾流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)， 相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)利用光的多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，實(shí)驗(yàn)采用相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的PPI（PlanePosition Indicator）掃描模式進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組尾流探測(cè)，數(shù)據(jù)反演結(jié)果是以激光雷達(dá)為中心的極坐標(biāo)扇形圖，色標(biāo)顏色深淺表示徑向風(fēng)速大小，風(fēng)向與激光出射方向相同時(shí)，風(fēng)速為正值，反之風(fēng)速為負(fù)值。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置PPI掃描方位角為263°~360°，俯仰角為1.0°~3.6°，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中主要分析探測(cè)俯仰角為3.4°的尾流數(shù)據(jù)。

（2）海上風(fēng)電機(jī)組尾流特征參數(shù)分析

1) 風(fēng)速損失率分析

風(fēng)速損失率隨著尾流運(yùn)動(dòng)距離的增加而呈遞減趨勢(shì)，在尾流區(qū)0~2D范圍內(nèi)，風(fēng)速損失率沒(méi)有明顯下降，反而有一定程度的攀升，根據(jù)上述尾流橫向風(fēng)速分布規(guī)律可知，此時(shí)尾流橫向風(fēng)速呈雙高斯分布，在2D距離之后，風(fēng)速損失率隨著距離的增加呈緩慢減小的趨勢(shì)。

實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)處3D范圍內(nèi)風(fēng)速損失率沒(méi)有明顯下降，在3D距離之后隨著尾流中心風(fēng)速不斷恢復(fù)，風(fēng)速損失率逐漸減小，6D距離處風(fēng)速損失率為36.85%，單-雙高斯擬合算法估算的平均尾流長(zhǎng)度為7.92D。

2) 尾流寬度分析

理想尾流模型假設(shè)尾流寬度隨著距離的增加呈線性增大，尾流區(qū)呈圓臺(tái)狀。實(shí)際尾流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)顯示，尾流寬度受到背景風(fēng)速和大氣湍流的影響，尾流寬度呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為尾流邊緣氣流與背景風(fēng)場(chǎng)氣流混合。初始尾流寬度約為1D，尾流區(qū)0~5D范圍內(nèi)的平均尾流寬度為1.42D。在風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)處0~2D距離內(nèi)，尾流寬度逐漸增大，2D距離處平均最大尾流寬度為1.57D。尾流運(yùn)動(dòng)距離大于2D時(shí)，尾流寬度隨著距離的增大呈減小或波動(dòng)趨勢(shì)，尾流運(yùn)動(dòng)末端寬度約為尾流形成初期寬度的1.51倍。

通過(guò)單-雙高斯擬合算法提取不同尾流垂直截面外的背景風(fēng)速，尾流擴(kuò)散過(guò)程受背景風(fēng)場(chǎng)的影響，不同風(fēng)速條件下，尾流風(fēng)速損失率和尾流寬度存在差異性，平均風(fēng)速約為5.5、6.5、7.4、8.8 m·s^-1時(shí)，風(fēng)速損失率分別為82.14%、85.53%、87.59%、86.41%，平均尾流寬度分別為1.35D、1.49D、1.52D、1.48D，背景風(fēng)速小于6 m·s^-1時(shí)，風(fēng)電機(jī)組尾流風(fēng)速損失較小，平均尾流寬度較小。

三、工作總結(jié)與展望

運(yùn)用相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在江蘇某海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展了風(fēng)電機(jī)組尾流觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)PPI掃描模式對(duì)風(fēng)電機(jī)組尾流速度場(chǎng)進(jìn)行可視化探測(cè)與分析，提出單-雙高斯擬合算法訂正單次擬合誤差較大的數(shù)據(jù)，修正尾流中心位置，實(shí)現(xiàn)近尾流場(chǎng)的尾流特征參數(shù)的提取，提高尾流速度場(chǎng)分析的準(zhǔn)確性。

課題組介紹

中國(guó)海洋大學(xué)激光雷達(dá)課題組立足于中國(guó)海洋大學(xué)、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、海洋信息技術(shù)教育部工程中心以及青島市光學(xué)光電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)期專注于大氣海洋激光探測(cè)領(lǐng)域，倡導(dǎo)前沿性研究與國(guó)家重大需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展緊密結(jié)合，以現(xiàn)代激光技術(shù)、光電子技術(shù)等高新技術(shù)為依托，面向大氣環(huán)境、海氣邊界層、海洋混合層等領(lǐng)域開(kāi)展光學(xué)探測(cè)及應(yīng)用研究。課題組承擔(dān)科技部863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、橫向課題三十余項(xiàng)。目前正在承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海洋光學(xué)遙感探測(cè)機(jī)理與模型研究”、“新型海洋大氣邊界層動(dòng)力學(xué)剖面自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)研發(fā)”以及“近海海洋邊界層大氣污染綜合立體探測(cè)技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用示范”等，榮獲青島市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。課題組與德國(guó)空間中心DLR、德國(guó)萊布尼茲對(duì)流層研究所TROPOS、美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)等著名科研單位保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的交流與互訪；作為中方首席單位，主持歐洲空間局-中國(guó)科技部“龍計(jì)劃Dragon”系列課題，參與全球首個(gè)多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)衛(wèi)星ADM-Aeolus的定標(biāo)印證；作為L(zhǎng)eadingInvestigator召集中歐首個(gè)多普勒與高光譜分辨率星載激光雷達(dá)國(guó)際合作計(jì)劃。