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.

刘清媛，吴松华，张凯临，等.基于单–双高斯模型拟合法的测风激光雷达海上风电机组尾流特征分析[J]. 大气与环境光学学报, 2021,16(1): 44-57.

当气流经过风电机组的扫风平面时，风电机组下风处产生的尾流效应会对风电机组的发电效率、疲劳载荷产生不同程度的影响。基于相干多普勒测风激光雷达在江苏某海上风电场开展全天候风场观测实验。由于紧邻风电机组的尾流垂直截面上风速呈双高斯分布规律，利用传统单高斯拟合算法存在计算误差较大，无法反映真实流场风速变化规律，提出了一种单-双高斯模型拟合改进算法，分析了目标风电机组尾流的尾流宽度、风速损失率和尾流长度等参数特征，研究结果验证了单-双高斯拟合算法对尾流横向风速拟合的可行性和准确性。

中国海洋大学激光雷达团队从理论研究、现场测试与激光雷达算法研究方面，利用自主研发的相干多普勒测风激光雷达对海上风电场的机组尾流场进行实测研究，对风机尾流的扩散效应，尾流长度、宽度和风速损失率等进行特性分析，为风电行业提供实测数据可视化支持。

一、算法原理

运用相干多普勒测风激光雷达获取海上风场的径向风速信息，通过VAD（Velocity azimuth display）风场反演算法可以得到真实风场的主风向和背景风速，可以进一步获取目标风电机组的尾流数据，运用高斯拟合算法可以实现尾流垂直截面上横向风速数据的拟合分析，从而获取尾流特征参数。（1）VAD风场反演算法

在相干多普勒测风激光雷达实测数据处理过程中，假设不同高度大气风场是均匀的，选取同一高度上的径向风速数据，通过正弦拟合得出激光雷达径向风速随方位角的变化信息，该方法为VAD风场反演方法

（2）高斯模型拟合算法

     定义主风向为风电机组尾流的纵向，尾流沿纵向扩散，尾流横向上的风速为水平并且垂直于主风向的风速，将尾流区分成若干个垂直截面，获取每个垂直截面的横向风速，对每一组尾流风速进行高斯拟合处理。对于工作状态的风电机组而言，来流风向与风电机组扫风平面的夹角和风电机组自身变桨都将影响叶片后方尾流风速分布和尾流大小，导致尾流中心两边的风速损失不均，紧邻风电机组尾流垂直截面上风速分布是不对称、不规则的双高斯线型，因此对传统对称双高斯模型做出改进。

（3）算法实现

单-双高斯拟合算法在传统单高斯拟合的基础上，对单高斯拟合进行改进，同时加入双高斯拟合算法，对单高斯拟合精度不足的单个尾流垂直截面数据进行修正，提高拟合精度，减小拟合误差, 单-双高斯拟合.

二、实验结果与分析

（1）实验设置

中国海洋大学激光雷达团队于2017年10月至11月在江苏某海上风电场开展风电机组尾流观测实验， 相干多普勒测风激光雷达利用光的多普勒效应实现大气风场探测，实验采用相干多普勒测风激光雷达的PPI（PlanePosition Indicator）扫描模式进行风电机组尾流探测，数据反演结果是以激光雷达为中心的极坐标扇形图，色标颜色深浅表示径向风速大小，风向与激光出射方向相同时，风速为正值，反之风速为负值。本次实验设置PPI扫描方位角为263°~360°，俯仰角为1.0°~3.6°，实验数据处理过程中主要分析探测俯仰角为3.4°的尾流数据。

（2）海上风电机组尾流特征参数分析

1) 风速损失率分析

风速损失率随着尾流运动距离的增加而呈递减趋势，在尾流区0~2D范围内，风速损失率没有明显下降，反而有一定程度的攀升，根据上述尾流横向风速分布规律可知，此时尾流横向风速呈双高斯分布，在2D距离之后，风速损失率随着距离的增加呈缓慢减小的趋势。

实际探测过程中，风电机组下风处3D范围内风速损失率没有明显下降，在3D距离之后随着尾流中心风速不断恢复，风速损失率逐渐减小，6D距离处风速损失率为36.85%，单-双高斯拟合算法估算的平均尾流长度为7.92D。

2) 尾流宽度分析

理想尾流模型假设尾流宽度随着距离的增加呈线性增大，尾流区呈圆台状。实际尾流观测实验显示，尾流宽度受到背景风速和大气湍流的影响，尾流宽度呈先增大后减小的变化趋势，表现为尾流边缘气流与背景风场气流混合。初始尾流宽度约为1D，尾流区0~5D范围内的平均尾流宽度为1.42D。在风电机组下风处0~2D距离内，尾流宽度逐渐增大，2D距离处平均最大尾流宽度为1.57D。尾流运动距离大于2D时，尾流宽度随着距离的增大呈减小或波动趋势，尾流运动末端宽度约为尾流形成初期宽度的1.51倍。

通过单-双高斯拟合算法提取不同尾流垂直截面外的背景风速，尾流扩散过程受背景风场的影响，不同风速条件下，尾流风速损失率和尾流宽度存在差异性，平均风速约为5.5、6.5、7.4、8.8 m·s^-1时，风速损失率分别为82.14%、85.53%、87.59%、86.41%，平均尾流宽度分别为1.35D、1.49D、1.52D、1.48D，背景风速小于6 m·s^-1时，风电机组尾流风速损失较小，平均尾流宽度较小。

三、工作总结与展望

运用相干多普勒测风激光雷达在江苏某海上风电场开展了风电机组尾流观测实验，通过PPI扫描模式对风电机组尾流速度场进行可视化探测与分析，提出单-双高斯拟合算法订正单次拟合误差较大的数据，修正尾流中心位置，实现近尾流场的尾流特征参数的提取，提高尾流速度场分析的准确性。

课题组介绍

中国海洋大学激光雷达课题组立足于中国海洋大学、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、海洋信息技术教育部工程中心以及青岛市光学光电子重点实验室，长期专注于大气海洋激光探测领域，倡导前沿性研究与国家重大需求和国民经济发展紧密结合，以现代激光技术、光电子技术等高新技术为依托，面向大气环境、海气边界层、海洋混合层等领域开展光学探测及应用研究。课题组承担科技部863计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省重点研发计划、横向课题三十余项。目前正在承担国家重点研发计划“海洋光学遥感探测机理与模型研究”、“新型海洋大气边界层动力学剖面自动观测系统研发”以及“近海海洋边界层大气污染综合立体探测技术研发及应用示范”等，荣获青岛市技术发明一等奖。课题组与德国空间中心DLR、德国莱布尼兹对流层研究所TROPOS、美国科罗拉多州立大学等著名科研单位保持长期稳定的交流与互访；作为中方首席单位，主持欧洲空间局-中国科技部“龙计划Dragon”系列课题，参与全球首个多普勒测风激光雷达卫星ADM-Aeolus的定标印证；作为LeadingInvestigator召集中欧首个多普勒与高光谱分辨率星载激光雷达国际合作计划。