风电场50年一遇安全风速计算方法的对比分析

冯长青，包紫光，王成富

（1.内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020；2.宁夏京能宁东发电有限责任公司，甘肃 宁夏 750001）

建设风电场最基本的条件是要有能量丰富、风向稳定的风能资源，但风能资源越好的地区，发生大的破坏性风速的概率越高，容易使风机倒塌造成巨大经济损失。根据国际风电机组设计标准规定，50年一遇最大（10 min）和极大（3 s）风速是决定风电机组极限载荷的关键指标，也是风电项目开发中机组选型和经济评估的关键指标之一。所以在风电场可行性研究阶段对风电场不同高度50年一遇最大和极大风速的估算成了必不可少的一项内容。

在我国风电项目开发中，多用《全国风能资源评价技术规定》[1]中的耿贝尔玉型极值概率分布法估算风电场10皂高度50年一遇最大风速，再以气象站与风电场风速的相关性和平均阵风系数1.4推算风电场内不同高度50年一遇极大风速。这种方法存在的问题是，由于我国有长期资料的气象观测站点相对较少，取得资料不够统一、详细，气象站普遍距离拟开发的风电场较远，且二者的地形地貌差别较大，两地风速的相关性、风电场内不同高度风速的相关性都是随风速的增大而变化的[2]，所以计算结果会有一定的误差，仅以此计算结果只能说明测风点处的极大风速，并不能说明风电场内每个风机位置的极大风速情况，所以本文在参考国内外已经较成熟的极值估算方法的基础上[3]，采用Meteodyn WT软件计算风电场各风机轮毂高度处的50年一遇极大风速，并通过比较分析，探讨风电场内轮毂高度处50年一遇极大风速计算结果的不确定性，为风电事业提供参考。

1 风电场概况

本文选取内蒙古地区不同复杂程度的4个风电场及其距离最近的气象站测风数据进行分析计算。A风电场地势较平坦，海拔高度为1 202耀1 220 m，测风塔位于风电场的东南面，离气象站距离约为28 km。B风电场地势较平坦，海拔高度为1 780耀1 871 m，测风塔位于风电场的西面，离气象站距离约为20 km。C风电场地形较复杂，海拔高度为1 416耀1 633 m，测风塔位于风电场的西南面，离气象站距离为33 km。D风电场地形较复杂，海拔高度为1 751耀1 888 m，测风塔位于风电场的南面，离气象站距离为40 km，相对位置见图1。

图1 气象站与风电场的相对位置

2 风电场的安全等级

风力发电机组设计中需考虑的外部条件取决于风力发电机组安装的预定场地或场地类型，依据风速和湍流参数确定风力发电机组的等级[4]。按50年一遇极大风速可将风电场的安全等级划分为3级，对应的风机类型也有3级，见表1。50年一遇极大风速越大，需要的风机等级越高，风机的抗风性能越好[5]。50年一遇极大风速是判断风电场的安全级别的主要指标，它的计算准确与否直接决定了风电场的安全合理性。

表1 风电场的安全等级划分表

3 极大风速计算方法和结果分析

3.1 耿贝尔极值玉型的概率分布法

在拟建风电场的可行性研究阶段对风电场极大风速的计算多采用耿贝尔极值玉型的概率分布法。根据气象站历年最大风速资料，采用Gumbel型进行频率计算，风速的年最大值采用I型概率分布，其分布函数为：

式中，u为分布的位置参数，即分布的众值；琢为分布的尺度参数；

分布的参数与均值滋和标准差滓的关系按下式确定：

式中，滋为平均风速，m/s；Vi为逐时风速，m/s；n为一年中逐时风速的个数；滓为标准差；琢为分布的尺度参数；c1、c2为矩法估算参数；u为分布的位置参数。

气象站50年一遇最大风速V50_MAX按下式计算：

1）气象站和风电场10 m高度处50年一遇最大风速：利用气象站近40年的最大风速资料，计算出气象站10 m高度处50年一遇最大风速；再由气象站与风电场测风塔10 m高度的风速相关关系（见图2）计算得出风电场10 m高度50年一遇最大风速，结果见表2。

表2 气象站和风电场10 m高度处50年一遇最大风速(10 min)

图2 气象站与风电场测风塔10 m高度的日最大平均风速相关关系

2）风电场轮毂高度处（65 m）50年一遇最大风速和极大风速：在国际风电机组设计标准中，以统计平均阵风系数1.4推算50年一遇极大风速，主要是为了便于风电机组疲劳载荷的测算。现在我国风能资源评估中也多用这样的阵风系数，由50年一遇最大风速推算极大风速。因此，本文根据风电场测风塔最大风速间风切变指数可将风电场10 m高度处50年一遇最大风速推算至通常轮毂高度处（65 m）50年一遇最大风速，再采用平均阵风系数1.4计算风电场65 m高度处50年一遇极大风速。计算结果见表3。

表3 风电场65 m高处50年一遇最大风速（10 min）和极大风速（3 s）m/s

从表3采用耿贝尔极值玉型概率分布法的计算结果可以看出，A和B风电场属于3类风场，C和D风电场属于2类风场，因此，根据此计算结果在风机选型上A和B风电场应选择3类风机，而C和D风电场应选择2类风机。

3.2 Meteodyn WT推算法

Meteodyn WT是由法国Meteodyn公司开发的适用于任何地形条件的风流自动测算软件，该软件在风资源评估中的优点是能减少复杂地形条件下评估的不确定性，得到整个场区的风流情况。Meteodyn WT通过载入地形数据、定义绘图区域、定义测风点以及结果点，根据测风点的极大风速能推算出每个风机位置的极大风速。在地势平坦地区，气象站和风电场地形地貌差别较小，地形对风速的影响较小，所以采用耿贝尔极值玉型概率分布法的计算得到的风电场极大风速有一定的参考价值。但对于地形复杂的高山地区，气象站和风电场地形地貌差别较大，地形对风速的影响较大，两地风速的相关性、风电场内不同高度风速的相关性都是随风速的增大而变化的，耿贝尔极值玉型概率分布法的计算得到的风电场极大风速并不能完全代表风电场内每个风机位置处的极大风速。所以针对不同复杂程度的风电场采用Meteodyn WT软件利用测风点处的极大风速推算风电场内风机位置处的极大风速，结果见表4。

表4 Meteodyn WT对风电场各风机位置处65 m高极大风速推算值m/s

从表4可以看出，在地形较平坦的A和B风电场，采用Meteodyn WT推算出A风电场风机50年一遇极大风速（3 s）在45.5耀46.5 m/s之间，B风电场风机50年一遇极大风速（3 s）在46.4耀50.2 m/s之间，与耿贝尔极值玉型概率分布法推算的50年一遇极大风速（3 s）相差很小，都属3类风场；在地形复杂的C和D风电场，采用Meteodyn WT推算出C风电场风机50年一遇极大风速（3 s）在55.5耀60.4 m/s之间，D风电场风机50年一遇极大风速（3 s）在54.2耀60.6 m/s之间，与耿贝尔极值玉型的概率分布法推算的50年一遇极大风速（3 s）相差很大。

从最终结果看，以往只以测风塔处的50年一遇极大风速代表整个风电场的极大风速状况并不完全合理。采用耿贝尔极值玉型的概率分布法推算的C和D风电场测风塔处50年一遇极大风速(3 s)属2类风场，而采用Meteodyn WT推算的该风电场应该为1类风场。可见，在不同条件的风电场中，采用不同方法计算出的轮毂高度处50年一遇极大风速的结果是存在一定差别的，越是复杂的地区，差别表现得越明显。所以在不同复杂情况的地区，应结合长期气象观测数据，并选取多种方法进行分析计算，以减少一些不确定因素带来的误差。

4 结论

1）由于长期资料的气象观测站资料不够统一、详细，气象站普遍距离拟开发的风电场较远，且二者的地形地貌差别较大，由耿贝尔玉型极值概率法计算50年一遇极大风速的结果都会存在一定的不确定性，有些地形复杂的地区，采用耿贝尔玉型极值概率法计算得到的极大风速并不能完全代表整个风电场区域的极大风速状况。

2）在不同复杂情况的地区，应结合长期气象观测数据，并选取多种方法进行分析计算，以减少一些不确定因素带来的误差。对于本文所选的4个风电场计算结果而言，在平坦的A和B风电场，2种方法计算得到的极大风速果相差较小，都能代表风电场区域的极大风速状况，但对于复杂的C和D风电场，2种方法计算得到的极大风速相差很大，因此，采用Meteodyn WT计算结果较优，更能降低由于风机倒塌造成经济损失的风险。

[1]国家发改委.全国风能资源评价技术规定.发改能源[2004]865号，2004，4：4-6.

[2]呼津华，王相明.风电场不同高度的50年一遇最大和极大风速估算[J].应用气象学报，2009，20（1）:108-113.

[3]杨振斌，薛桁，桑建国.复杂地形风能资源评估研究初探[J].太阳能学报，2004,25（6）:744-749.

[4]宫靖远.风电场工程技术手册[M].北京：机械工业出版社，2008：386-387.

[5]张江华.风电场安全风速计算方法研究[J].黑龙江电力，2007，29（6）:459-452.