2024用于风力资源评估的双扫描激光雷达测量指南报告

用于风资源评估的双扫描激光雷达测量指南 Rev.02024年3 月5日 报告标题:用于风资源评估的双扫描激光雷达测量指南 顾问:DNVEnergySystemsGermanyGmbH,Brooktorkai18,20457汉堡,德国组织单位:E-NV-M 发行日期:2024年3月5日修订:0保密:Open Authors DomincChampneys（维萨拉）RichardFrühmann（DNV）RobertMenke（DNV）DarshanSathiyanarayanan（维萨拉）MatthiasSteger（DNV） 审稿人 安德鲁·布莱克(维萨拉)马蒂厄·博奎特(维萨拉)里萨·德克斯特(DNV)延斯·里切特(EnBW) 版权©DNV2024。所有权利保留。除非另有书面协议：(i)本出版物或其部分内容不得以任何形式或通过任何手段（无论数字或其他方式）复制、重印或传输；(ii)客户应保守本出版物的内容机密；(iii)任何第三方不得依赖其内容；以及(iv)DNV不承担对任何第三方的任何责任。参考本出版物的部分内容时须注意。 DNV-www.dnv.com第2页共58页 禁止可能导致误解。 目录 1引言9 2典型工作流 3双扫描激光雷达原理11 3.1概述11 3.2风场重构11 3.3工作模式13 3.3.1点交截与扫描区域13 3.3.2同步13 3.3.3测量位置数量和测量频率13 3.4光束几何结构13 3.4.1光束交截角13 3.4.2仰角14 3.4.3距离范围14 3.5扫描参数14 3.5.1距离门长14 3.5.2积累时间14 3.5.3停留时间14 3.6涡流说明15 4运动规划和准备………………………………………………………………………………………………………… 4.1概述… 4.2活动设计。.164.2.1测量位置。.164.2.2坐标系。.164.2.3梁几何形状。.174.2.4不确定性评估。.18. 4.3激光雷达要求……………………………………………………………………………………………………… 4.3.1概述……………………………………………………………………………………………………… 4.3.2要求……………………………………………………………………………………………………… 4.4额外的测量设备…………………………………………………………………………………………………… 4.5场地限制19 5验证21 5.1概述21 5.2对核查现场的要求…………………………………………………………………………………………………… 5.3扫描仪头指向精度.225.3.1概述。.225.3.2系统特定因素。.225.3.3安装具体因素。.225.3.4可变因素。. 23. 5.4LOS风速验证23 5.4.1概述23 5.4.2方法论23 5.4.3关键绩效指标24 5.5重建风场量的验证…………………… 5.6对环境参数的敏感性26 5.7事后核查… 5.8报告27 5.8.1总………………………………………………………………………………………………………… 5.8.2指向精度… 5.8.3LOS风速校准.27 6施工安装、操作和数据处理 6.1安装指南29 6.1.1系统安装29 6.1.2现场校准29 6.1.3扫描配置29 6.2数据和系统监控29 6.3维护和维修策略… 6.4数据处理。.316.4.1数据提取。.316.4.2过滤。.316.4.3风场重建和平均。.31. 6.5报告。.326.5.1安装。.326.5.2操作。.32. 7不确定性评估33 7.1概述………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………237.2.2仰角(）357.2.3方位角(）367.2.4范围( ）.□□□□□□□□..........................................................................................................36 7.3最终重建量\(\mathbf[u]\)的不确定性36 8参考文献39 附录A不确定性计算示例41 A.1设置.41 A.2由于风场重建引起✁不确定性.41 A.2.1倾角不确定性，41 A.2.2方位角不确定性，42 A.2.3距离不确定性，42 A.2.4直视风速不确定性.42 A.2.5不确定性来源总结.44 A.2.6不确定性的传播44 A.3扫描计划引起的统计效应48 A.4结合不确定性50 A.4.1对于单个10分钟平均值50 A.4.2对于10分钟平均值的平均值50 附录B确定定位精度的示例方法…………………………………………………………………………………………… B.1概述53 B.2硬性目标方法53 B.3从参考点推移到测量位置的延伸误差估算54 B.4回程误差55 B.5海面水平校准56 B.5.1PPI方法56 B.5.2RHI方法56 B.6测量范围不确定性评估58 表列表 表5-1风速（LOS）验证✁关键绩效指标表.25表5-2水平风速验证的关键绩效指 标表26 表A-1例扫描几何参数.41 表A-2方位角不确定性贡献因素.42 表A-3风场重建不确定性贡献因素.44 表A-4测量点B_140✁扫描几何参数.44 表A-5月平均风速示例不确定性.52 数字列表 图2-1典型扫描激光雷达campaign的时间线10 图3-1正交风矢量系统的规定符号12 图4-1典型DSL设置示意图，显示了两台激光雷达、测量点以及光束交角.......................................................................... ......................................................................................................17 图7-1距离直线风速验证不确定性评估概述（蓝色方框中的“传感器”指的是参考风速传感器，红色方框中的“传感器”指的是参考风向传感器）34 图7-2描述计算仰角不确定性过程流的示意图36 图7-3描述确定单个10分钟平均重构HWS不确定性过程流的示意图................................................................................... .......................................................................37 缩写 CNR载波噪声比-衡量信号与背景噪声DSL的强度双扫描激光雷达——一种使用两个激光雷达进行扫描和协同工作的测量设置，以提供风速测量EDFA掺铒光纤放大器-激光技术中使用的信号放大器GPS全球定位系统 IEA国际能源署 IEC国际电工委员会 KPI关键性能指标-用于评估系统激光雷达性能的参数光检测和测距LOS视线-沿激光束NTP网络传输协议 PPI计划位置指示器——在保持恒定仰角的同时连续变化方位角的扫描SMC特定的测量活动UPS不间断电源 UTM通用横轴墨卡托投影——一种地图投影，在此投影中，地球的曲面被分为60个经度为6°的区域，并且每个区域近似表示为一个平面。WFR风场重建——个体视角（LineofSight,LOS）风速组合以计算相应的水平风速和方向的过程。 命名法 □□□□□□□□正弦仰角偏移的振幅□□□□线性回归的正弦方位角偏移的幅度斜率□□□□□□□□□□□□□□□□KPI定义的差异均值上限，该差异基于雷达和参考设备测量的沿光束方向风速之差，并以验证campaign中沿光束方向风速均值的百分比表示，重建的水平风速为\(\overline[O]\)。□□□□正弦仰角偏移的偏移□□□□正弦方位角偏移的偏移□□□□□□□□□□□□□□□□定义LOS风速线性回归偏移的限制的KPI(激光雷达与参考)□□□□正弦仰角偏移的相位□□□□正弦方位角偏移阶段\(R\)范围沿LOS方向，从激光雷达到探针体积中心的距离\(R\)2□□□□□□□□□ □□□□□□□确定LOS风速（lidarvs.参考）的一元线性回归的相关系数确定性的KPI，以及风速uvw正交分量的上限。□ □□□□□□□□□□□参考风速传感器校准的不确定度□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□与LOS风速有关的分类的不确定性 □□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□参考数据采集系统产生的不确定性 □□□□□□□□□□□□□□□□测量高程偏移外推的不确定性 □□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□通过风场重建传播中间值之后的累积不确定性 □□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□与每个单独的10分钟平均HWS相关的不确定性 10□□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□光束倾斜导致的测量高度不确定度 □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□参考满足桅杆配置的不确定性 □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□激光雷达的运动引起的不确定性□□□□□□□□□□□□操作不确定度-参考风速传感器的设备分类的不确定度□□□□□□□□□□□□由于激光雷达的安装和地形的不确定性 □□□□□□□□范围的不确定性□□□□□□□□□□□□参考风速传感器的不确定度(安装时) □□□□□□□□□□□□□□□□仰角参考角的不确定度 □□□□仰角校准的重复性不确定度 𝑢𝑟𝑒𝑝𝜙� �□□□□□□□□ℎ□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□扫描时间表产生✁不确定性 □□□□□□□□□□□□□□□□长期仰角稳定性✁不确定性 �□□□□ □□□□□□□□□□□□□□□□统计不确定度 �□□□□□□□□□□□□测量体积内风速变化✁不确定性 □□□□□□□□□□□□验证活动导致✁LOS风速不确定性 𝑢�_□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□高度差导致✁参考值与LOS范围➀限总LOS风速不确定性 □□□□□□□□□□□□ □□□□□□□□□□□□与风场重建适用性相关✁不确定性 𝑢�□□□□□□□□□□□□□□□□ ΔΘ相对风向✁不确定性(风向-LOS方位角) 𝑢�Θ参考风向传感器校准✁不确定度方位角✁不确定度 □□□□仰角✁不确定性 𝑢�□□□□□□□□□□□□水平风速参考传感器： □□□□□□□□□□□□LOS风速-与激光束平行✁风速✁矢量分量 �□□□□□□□□参考风速(投影到LOS上) □□□□□□□□□□□□□□□□LOS风速（雷达vs.参考）直线回归斜率定义✁关键绩效指标（KPI），水平风向方位 �角（LOS-角度围绕垂直轴旋转）高度角（LOS-倾斜角相对于水平平面✁角度） � 𝑢𝜃� � � � 𝑣� 𝑋�Θ θ 𝑢� 1介绍 扫描激光雷达（lidar）技术在风速测量中✁应用越来越广泛，尤其是在风电行业风资源评估领域。与其它风速测量技术相比，扫描lidar✁两大关键优势是： 1.它们使多个测量位置可以用单个测量设置进行询问，并且 2.他们✁远程能力使得能够在无法进入✁地点进行测量。 这有助于降低成本和物流努力，例如，在沿海地区测量海上风速时，或者在大型规划区域内访问和基础设施有限✁情况下询问多个地点。 本文件✁目✁是在缺乏现有标准✁情况下提供指导。通过分享关于活动规划与执行、不确定性评估以及文档编写✁实用见解和最佳实践，它可能有助于决策过程，并使该技术对潜在用户更加易于访问。 尽管可能存在其他应用和操作方式，本文仅限于将扫描激光雷达应用于所谓✁双扫描激光雷达（DSL，或双多普勒激光雷达）配置，以评估相对均匀流动中✁风