景泰风电场风能资源评估

郝 军，潘忠涛，王 璟

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)



景泰风电场风能资源评估

郝 军，潘忠涛，王 璟

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

风能资源的开发是目前新能源开发的重点领域。在此以景泰风电场所在地区气象站资料和风电场测风塔的测风数据为例，通过对景泰风电场80m高度风能资源进行计算，结果表明该风电场80m高度年有效风速时数为7121h，风功率密度接近3级，风速频率主要集中在2m/s～9m/s,无破坏性风速, 年内变化小，湍流强度较小,全年均可发电。此结果为景泰风电场的开发建设提供了理论基础，也为加快区域风资源评估提供了理论依据。

风电场；风资源计算；风能资源评估；景泰

1 引言

能源与环境是全球共同面临的重大问题，加快开发利用可再生能源是解决人类能源和环境问题的必由之路。风电是绿色可再生能源，发展风电等清洁能源是实施能源可持续发展战略的重要措施。虽然风电场的选址受风能资源、自然地理、电网结构、社会经济条件等多种因素的制约，但风能资源是其决定性因素，是风电场建设的前提条件，直接决定风电场建成后的成败。因此，风电场建成后能否发挥预期的经济效益，风能资源评估便成为项目选址阶段最关键的环节。但由于风电场所在区域地理环境的差异，各拟建风能资源评估所采用的方法也不尽相同[1-9]，本文结合景泰气象站近30年的气象数据和拟建风电场10m、40m、70m高度的测风数据，利用Wasp软件对景泰风电场的平均风速、风功率密度、风向、湍流强度等进行计算，为该风电场的建设提供理论依据。

2 区域风资源

景泰县地处季风区与非季风区过渡地带，年均降水量185mm，多集中在7、8、9三个月，占全年降水量的61.4%，年均蒸发量3038mm。

景泰县气象站1956年建站，位于景泰县城西南，观测场高程1631m，气象资料的记录完整连续，距离拟建的景泰风电场场址10km。景泰气象站与景泰风电场主要气候特征基本一致，景泰气象站可以作为景泰风电场的气象参照站。

根据景泰气象站1971～2000年近30年气象资料统计，其年平均气温8.6℃，年平均气压836.8hPa，年平均水汽压6.3hPa，年平均降水量183.5mm，沙尘暴日数12d，雷暴日数15d，呈现出明显的大陆性气候特征。

2.1 年平均风速

选取景泰气象站1980～2009年的气象资料进行统计，波动变化趋势较为明显(年平均风速变化见图1)，但并未呈现出明显减小或增大的趋势，这充分说明了风速变化具有随机性的特点，多年平均风速为1.96m/s。

图1 景泰年平均风速变化

2.2 月平均风速

根据景泰气象站1980～2009年各月平均风速统计，该地区3～5月风速较大，9月至翌年1月风速较小(见图2)。拟建风电场建成后设备的检修工作，可以充分利用区域风速年内月变化这一特点，多在每年的8～10月进行，提高风能资源的利用率，增加发电量。

图2 景泰月平均风速变化

2.3 风向玫瑰图

在风机的微观选址过程中，须充分考虑区域的主导风向，主导风向指风频最大的风向角的范围，风向角范围一般在连续45度左右，对于以16方位角表示的风向，主导风向一般是指连续2～3个风向角的范围。根据景泰气象站资料景泰气象站风向玫瑰图(见图3)可以看出，景泰气象站风向以西风和北风为主。

图3 景泰气象站风向玫瑰图

在风机的排布过程中，根据区域的主导风向，考虑上风向风机对下风向风机的尾流影响，以减少风机之间的尾流造成的电量损失。

2.4 风电场测风资料

按照GB/T18710-2002 《风电场风能资源评价办法》，采用北京木联能软件公司编制的《风电场测风数据验证和评估软件》2.0版，对测风塔的实测数据分别进行完整性检验、范围检验、相关性检验和风速变化趋势检验。

2.4.1 检验项目

(1)小时平均风速值范围为0～40m/s；

(2)风向值范围0～360°；

(3)当切入风速大于5.0m/s时，风速和风向连续6h无变化；

(4)小时平均风速变化小于6.0m/s；

(5)相隔高度在1～20m条件下平均风速差小于2.0m/s；

(6)相隔高度在21～40m条件下平均风速差小于4.0m/s；

(7)当切入风速大于5.0m/s时，风速标准差值小于10。

测风塔共有2007年5月至2009年12月共计32个月的测风数据，其中2008年和2009年测风数据出错较少，且数据完整率较高，选取测风塔2008年1月1日至2009年12月31日完整两年的测风数据进行检验分析计算。

测风塔2008年1月1日至2009年12月31日的测风时段共有100892条记录，缺测1372条记录，数据完整率为98.6%。

2.4.2 合理性检验结果

对测风塔的测风数据进行范围检验、相关性检验和风速变化趋势检验，检验后列出所有不合理的数据及对应的时间，对不合理数据再次进行判断，挑出符合实际情况的有效数据，回归原始数据组。检验处理后测风塔不同高度实测风速统计见表1。

表1 测风塔不同高度实测月平均风速统计表

2.5 测风数据订正

根据景泰气象站1980～2009年气象资料统计，近30年平均风速为1.96m/s，近20年平均风速为1.84m/s，近10年平均风速为1.73m/s。景泰气象站与测风塔测风时段2008年1月1日至2009年12月31日同期的平均风速为1.74m/s，与近10年长系列平均风速接近，具有较好的长系列代表性。

依据现有景泰气象站2008～2009年逐小时风速风向数据与测风塔同期资料进行相关分析，总体相关系数为0.542，相关性较差；分扇区分析结果显示两者相关性亦较差，其主要原因是由于场址周围特殊的地形条件所致，故本次对测风资料不再进行订正处理。

3 风电场风资源计算

风能密度是指气流在单位时间内垂直通过单位面积的风能，由于风速每时每刻都在变化，不能使用某个瞬时风速值来计算风能密度。通过平均风速求出平均风能密度，反映区域风能资源现状。并不是所有的风能都能被风机所利用，只有介于风机启动和切出风速之间的部分风能才能被风机所利用并转化为机械能，这部分区间风速为有效风速，将有效风速平均所求出的风能密度， 称为有效风能密度。

3.1 空气密度

根据景泰县气象站近30年平均气温、气压和水汽压计算空气密度，计算公式如下[10-11]：

式中：t为平均气温；p为平均气压；e为平均水汽压。

经计算得出景泰县气象站空气密度为1.032kg/m3，气象站所在位置海拔高程为1631m，风电场平均海拔高程为1750m，推算至风电场的空气密度为1.019kg/m3。

3.2 平均风速及风功率密度

测风塔不同高度代表年月平均风速统计见表2，80m高度风速由70m高度风速数据推算(切变指数取测风塔40～70m间实测切变)，风向直接采用70m高度风向。

测风塔80m高度年平均风速为6.52m/s，年有效风速(3～25m/s)时数为7121h，平均风功率密度为302W/m2。

表2 测风塔不同高度代表年月平均风速、风功率密度统计表

3.3 风频曲线

风频曲线采用威布尔分布，概率分布函数用下式表示：

式中：V为风速；A、K为威布尔参数[10-11]。

用WASP9.0程序进行威布尔曲线拟合计算得到：测风塔10m高度年平均风速为5.31m/s，平均风功率密度为154W/m2，威布尔参数A=6.0， k=1.9；20m高度年平均风速为5.8m/s，平均风功率密度为195W/m2，威布尔参数A=6.5， k=1.94；40m高度年平均风速为6.34m/s，平均风功率密度为260W/m2，威布尔参数A=7.1， k=1.91；70m高度年平均风速为6.62m/s，平均风功率密度为303W/m2，威布尔参数A=7.5， k=1.87；80m高度年平均风速为6.67m/s，平均风功率密度为309W/m2，威布尔参数A=7.5， k=1.87。

图4 测风塔80m高度平均风速威布尔分布图

测风塔70m高度平均风速威布尔分布图见图4，由图可以看出测风塔70m高度风速在4.0～8.0m/s风速段拟合偏高，但整体拟合情况较好。

3.4 风速、风向特性

测风塔80m高度风向和风能分布统计见表3，从表中可以看出,场区内以东南(SE)风的风速最大和频次最高，其次为南东南(SSE)风。

测风塔80m高度风速、风能频率分布统计见表4，从风速分布来看，风速主要集中在2.0～9.0m/s，占全年的69.9%,风能只占全年的28.0%；11～25m/s风速段占全年的15.94%，但风能占全年的60.42%；而大于25m/s的风速约占全年的0.02%，风能占全年的0.65%。

表3 测风塔80m高度风向和风能分布统计

表4 测风塔80m高度风速、风能频率分布表

通常情况下，本地区年内3～5月风速较大，9月至翌年1月风速较小，呈现春季风大，秋冬季风小的特点。但各年尚不完全相同，在总趋势下，存在一些偶然因素影响。

风速一日之内的变化是十分复杂的，难以用一条曲线表示。从总体情况看，该区域风速白天大，晚上小。风速峰值出现在上午9～10点，谷值出现在23点左右。

3.5 风切变指数

风切变指数按下式计算:

V2:高度Z2的风速,m/s；V1:高度Z1的风速,m/s。

测风塔不同高度测风资料计算的风切变指数见表5。

表5 测风塔不同高度风切变指数表

由上表可以看出，测风塔40～70m切变指数为0.062， 风速的垂直切变较小。拟合测风塔不同高度及其对应风速相关关系的方程，方程为：Y=4.0885X0.11，相关系数为0.992，相关性较好，切变指数为0.11，拟合曲线见图5。经综合分析后，景泰风电场风切变指数采用40～70m高度实测切变指数,70～80m风切变指数采用0.062。

图5 测风塔不同高度风速随高度变化的拟合曲线

3.6 50年一遇最大风速

根据景泰气象站1975～2004年实测年最大风速，采用极值I型概率分布统计出50年一遇10m最大风速为21.4m/s，极大风速为30.0m/s。50年一遇最大风速计算公式为：

式中：V为风速；u=12.2为分布位置参数；α=0.423为分布尺度参数。

推算至80m高度50年一遇极大风速为37.7m/s (切变指数取0.11)，对测风塔2008年1月1日至2009年12月31日70m高度实测大于19m/s的小时平均风速与气象站10m高度同期小时平均风速进行相关性分析，相关的方程可列为：Y=0.7329X+16.218，相关系数为0.67，根据相关性分析结果，测风塔70m高度大于19m/s的风速与同期气象站10m高度风速相关性较差，风电场80m高度50年一遇极大风速参考气象站同高度的50年一遇极大风速。

3.7 湍流强度

湍流强度是指10分钟内风速随机变化幅度大小，是10分钟平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率，是风电机组运行中承受的正常疲劳载荷，是风机安全等级分级的重要参数之一，直接影响风电机组的物理性能。风电机组之所以会产生湍流，一方面是气流流动时会受到地面的摩擦或者阻滞作用，另一方面是大气温度差异引起的气流垂直运动。

15m/s风速段湍流强度按下式计算[10-11]:

IT=σ/ V

式中:V为14.5m/s

将测风塔实测各高度15m/s风速段平均风速和相应风速标准偏差代入上式计算，求出各高度湍流强度(见表6)。

表6 测风塔各高度湍流强度

由表6可以看出景泰风电场60～70m高度湍流强度在0.091～0.101之间，小于0.12，说明60～70m高度湍流相对较小。

4 风能资源评价

从以上分析可知，该风电场以南(S)风的风向和风能频率最高，盛行风向稳定，风能分布较集中，风速春季大，秋冬季小。

根据《风电场风能资源评估方法》可以判定该风电场风功率密度等级接近3级，由景泰气象站近30年资料推算80m高度50年一遇极大风速为37.7m/s,小于52.5m/s，湍流强度较小，有利于风力发电机组长年安全运行和延长机组寿命。根据国际电工协会IEC61400-1(2005)标准判定本风场应选适合IECⅢc及其以上安全标准的风力发电机。

景泰风电场80m高度年有效风速(3～25m/s)时数为7121h，风速频率主要集中在2～9m/s ,无破坏性风速，且年内变化小，全年均可发电。

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[11]GB/T 18710-2002. 风电场风能资源评估方法[S]. 北京：中国标准，2002.

[责任编辑 龚 勋]

2016-06-17

郝军(1967-)，男，陕西凤翔人，工程师，主要从事新能源电力开发、建设、生产管理和研究。

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1008-4630(2016)05-0080-06