风电场50年一遇最大风速计算方法总结

文 | 高兴强

风电场50年一遇最大风速计算方法总结

文 | 高兴强

风电开发必须进行可行性研究，选择风能资源较好的区域进行风电场建设。风电场50年一遇最大风速是风电场风能资源分析的重要指标，是风电机组选型的重要参考，是保证风电机组安全有效运行的重要前提。

本文主要按照《风电场风能资源评估方法》的要求取得的风能资源数据进行50年一遇最大风速的分析，总结的方法有WasP Engineering分析法、Windographer分析法、五日雷暴法、最大风速比值修正法、切变推求法、风压推求法、五倍平均风速法等多种方法。

WasP Engineering分析法

利用WasP Engineering计算50年一遇最大风速（V50－max）所需要的基础资料有风电场所在地区的矢量地形图、测风塔位置坐标、实测的大风数据等。其中，矢量地形图可以借助Global Mapper软件获取。下面简单总结一下WasP Engineering的操作步骤：

（1）导入矢量地形图

新建一个工程，选择风电场所在区域的矢量地形图，如图1所示。勾选“Use new gridding method”选项，框选风电场所在区域，导入地形图。

（2）新建测风塔

调用“Insert new site into”命令，将测风塔的位置落到地形图上，如图2所示。

（3）导入一个实测的大风数据

如在测风塔一个实测的大风为方向180，风速35m/s，调用“Insert wind into”命令，如图3所示输入相关是数据。

（4）修改观测点的高度（heights）

调用“Insert new height into”命令，修改观测点的高度，如图4所示。

（5）评估50年一遇最大风速

调用“Observed extreme wind climate from file”命令，导入实测的OEWC文件（由WAsP Climate Analyst工具导出），如图5所示。最后，调用“convert to a regional extreme wind climate”命令，得到REWC。

如图6所示，50年一遇最大风速V50－max＝37.6m/s。需要注意的是，在这里要按下“toggle apply to site”图标。

图1 新建工程

图2 Maps and sites

图3 Winds

图4 Heights

图5 导入OEWC文件

图6 生成REWC文件

表1 Site list

表2 50 year wind [m/s]

另外，通过Tools中的Reporting功能，还可以输出word格式的报告文件如表1和表2。

Windographer分析法

利用Windographer计算50年一遇最大风速操作步骤比较简单，如下：

（1）将测风数据（NRG导出的10min测风数据）导入软件中，进行相关是设置，软件便会自行计算各种参数。

（2）调用“Analyze”下拉菜单下的“Extreme Wind Analysis”，就可以得到测风塔各高度的极端风速，包括20年、25年、50年、100年一遇最大风速（10－min means）和3s极大风速（Gusts）。计算结果如图7所示，V50－max＝30.5m/s。

图7 Extreme Wind Analysis

五日雷暴法——耿贝尔分析法的一种变形

耿贝尔分析法的原理是：选取气象站连续N个年最大风速样本序列（N≥15），通过计算极值I型概率分布的相关参数（包括：均值、标准差、尺度参数、位置参数），利用公式计算得50年一遇最大风速。

（1）

五日雷暴法是通过选取代表年每五日10min平均风速的最大值样本序列（N＝73），通过计算极值I型概率分布的相关参数，利用公式（2）计算得50年一遇最大风速。此方法相对于耿贝尔分析法的优势在于，只需要一年的实测风数据，在没有可靠的相关气象站资料的情况下，也能给出可参考的结论。

（2）

在这里，主要通过EXCEL创建公式模板（如图8和表3）来计算50年一遇最大风速，计算步骤如下：

（1）选取五日最大风速样本序列（N＝73）

18.5 14.4 16.5 17.7

16.1 16 14 18.7 12.3

12.7 13.4 17.5 11.7

15.2 15.9 14.8 17.3

18.5 14.4 15.6 11.7

11.8 15 12 14.7

12.3 15.1 18.5 18.2

12.1 12 14.9 13.2

10.7 13.7 15.2 12.1

15.3 19.8 16.7 19.8

14.1 16.7 16.3 23.3

17.7 15.6 15.2 23.7

15.5 18.9 15.4 12.3

12.4 13.1 18.8 23.4

22.4 15.6 15.1 24.5

15.8 14.7 18.8 18.8

14.1 16.4 25.4 17.4

15.4 18.8 20.5 19.9

将以上数据放到名为“73个数据”的工作表中，从A1－A73依次排列。

（2）求均值，调用公式

“＝AVERAGE( )”

图8 五日雷暴法EXCEL模板

表3 耿贝尔C1、C2系数表

＝AVERAGE('73个数据'!A1:A73)＝16.192

（3）求标准差，调用公式“＝STDEV( )”

＝STDEV('73个数据

'!A1:A73)＝3.294851

（4）计算C1、C2

由于N＝73，无法直接查取相应的系数，在此利用“插值法”计算，得出C1＝1.187907，C2＝0.555403

（5）求尺度参数α和位置参数μ α＝B12/B8＝0.360534

μ＝B5－B13/B16＝14.65128

（6）求50年一遇最大风速

V50－max＝B17－(1/B16)*LN(LN

((50*73)/(50*73－1)))＝37.4018m/s。

最大风速比值修正法

当风电场与气象站共处一个风带，且距离较近时，可根据气象站50年一遇最大风速（V50－气象站），以测风塔与气象站同时段实测最大风速的比值进行修正，计算公式如下：

V50－max＝ V50－气象站*（V测风塔/V气象站）其中，V测风塔、V气象站分别为测风塔和气象站同期实测最大风速。

切变推求法

根据气象站50年一遇最大风速（V50－气象站），用风电场10m高度与气象站小时平均风速相关推求得到10m高度的50年一遇最大风速，再根据风切变指数推求其他高度。

风压推求法

图9 风压推求法EXCEL模板

风压推求法的原理比较简单，就是利用风压公式（ωp＝0.5ρv2）变形反推近地面50年一遇最大风速，然后利用风切变指数推求其他高度风速。创建EXCEL模板如图9所示。

（1）输入空气密度和风压值，即可得近地面50年一遇最大风速（计算公式为：“＝SQRT(2000*B3/ B2)”）。风压值可查询《建筑结构荷载规范》。

（2）输入轮毂高度及切变值，即可得到轮毂高度50年一遇最大风速（计算公式为：“＝((B5/10)^B6)*B4”）：

V50－max＝31.825m/s

五倍平均风速法

Weibull曲线是一种用于拟合风速频率分布的线型，由形状参数k和尺度参数c决定。中国地区的k值通常在1.0－2.6之间。

欧洲风电机组标准Ⅱ中建议，在中纬度（南北纬30度－60度之间）地区，地形比较平坦的风电场，当Weibull 分布的形状参数k≥1.77时，可以用五倍平均风速来计算50年一遇最大风速，即V50－max/Vave＝5 是合适的。

如果所建风电场地形比较复杂，Weibull 分布的形状参数1.4≤k≤1.5时，必须要提高这一比率，即V50－max/Vave＝6.6，才能符合风电场要求。

由1032#测风塔10min风速数据，计算得到Vave＝7.403m/s，k≥1.77，因此，可以推算50年一遇最大风速：

V50－max＝7.403*5=37.015(m/s)

结语

风电场50年一遇最大风速的计算方法有很多，在此仅总结这几种，借助风能资源分析软件及excel模板，以期能为后续类似风电场工程提供借鉴，同时，通过不同方法计算的50年一遇最大风速能够为项目可行性研究报告中机组选型提供更加有利的参考。

当然，由于笔者经验和能力有限，这些方法还存在很多不足之处，还望广大专家学者能够批评指正。

（作者单位：龙源宁夏风力发电有限公司）