海上风能资源和风电机组安全气候区划

文 | 张秀芝，齐浩

根据各省发展改革委制定的“十三五”海上风电开发规划，到2020年全国海上并网发电550万千瓦，开工建设1000万千瓦，海上风电开发进入了快速发展期，并且趋向远海和风电机组超大型化，海上风能资源和设计风速分布也就成为大家关注的重点。我国从渤海到南海南北横跨44个纬度，由于影响各海域的天气系统差别很大，使得各海域平均风况和极端风况分布差异明显。

海上风能资源气候区划

以往海面风的分析一般依赖于长年代的船舶气象观测和岛屿站观测资料，自20世纪80年代末有卫星观测以来，由于具有空间覆盖面广、时间连续等优势，在过去的10年里卫星遥感资料被广泛应用于海面风的研究中。

一、卫星遥感资料分析风速分布

使用欧空局（ESA）GlobWave项目下法国海洋开发所对ERS1&2、TOPEX-Poseidon、GEOSAT Follow-ON（GFO）、 Jason-1、 Jason-2、ENVISAT、Cryosat和SARAL等9个卫星高度计观测获得的数据，经过数据的质量控制和校准、修正，形成了1991—2015年23年均匀一致的数据集。由于高度计数据校准的浮标数据分别来自欧洲浮标网络、美国资料浮标中心和加拿大海洋环境数据服务网络，因此在中国近海使用卫星数据之前必须经过与浮标观测资料的对比分析。使用2008—2015年中国近海28个浮标实测风速与卫星同步观测风速对比分析结果表明，联合校准的卫星海面风速与浮标风速相关性很好，风速标准差在0.5～0.9m/s之间，具有很好的适应性。将多元卫星高度计联合校准的沿轨海面风数据处理为0.5°×0.5°网格点日平均风速（海面10米高度），在此基础上计算年平均风速。

二、船舶气象观测分析风速分布

船舶气象观测是海上很重要的资料来源。考虑到船舶在航行中定时观测，非航线海域观测样本较少，为保证其分析的可靠性，使用美国国家海洋和大气管理局整理的1961—2015年船舶观测数据集，分析中国近海网格点年平均风速（海面20米高度）。

三、卫星与船舶观测年平均风速融合

卫星观测时空分布连续、水平分辨率高，但时间短；船舶观测时间长，但空间分布不均。为了最大限度地利用各种观测结果，分析卫星与船舶观测的年平均风速差百分率，建立修正公式，在此基础上得到中国近海综合年平均风速（海面10米高度）分布图。

四、中国近海风能资源区划

依据IEC 61400-03 Design requirements for offshore wind turbines、IEC 61400-1Wind Turbines定义的风能资源等级，绘制中国近海10米高度6个等级的风能资源区划图（见图1），由图1可见台湾海峡风能资源最好，向南和北延伸略差，北部湾风能资源最差。

图1 海上风能资源区划图

风电机组安全等级区划

在中国近海，引发大风的天气系统，杭州湾以南以台风为主，以北主要为强寒潮、强对流天气和台风。由于海上大风观测资料匮乏，因此采取了多种手段计算建立50年一遇的大风样本序列。

一、台风风电场计算

台风影响期间船舶避风进港，海面大风观测资料极其缺乏，因此需要借助台风风电场数值模型计算。研究表明，台风在广阔的大洋上大风分布接近于圆对称，但在靠近陆地的过程中大风分布表现出明显的非对称性。日本、美国、中国很多学者致力于台风风电场非对称模型研究，这里使用胡邦辉建立的适用于大批量台风个例计算的非对称台风风电场数值模型，计算了1961—2007年每个进入中国近海风电场的台风大风，获得每个台风经过海域0.5°网格点上的最大风速。

二、杭州湾以南50年一遇最大风速计算

研究表明，杭州湾以南年最大风速基本由台风造成，所以杭州湾以南50年一遇最大风速计算使用台风风电场数值计算结果。由于每年进入中国近海的台风次数、强度和路径都不相同，因此每个网格点有的年份可能会有多个台风造成的大风，有的年份可能没有，这样的大风序列适合使用Poisson-Gumbel 联合极值方法。求得杭州湾以南0.5°网格点50年一遇最大风速分布图（见图2）。

图2 台风风电场数值模型计算风速得到的50年一遇最大风速分布图

三、杭州湾以北50年一遇最大风速计算

影响杭州湾以北的大风天气系统主要为寒潮、强对流和台风。目前大型商船抗风能力都比较强，对于寒潮、强对流天气一般可以正常航行并观测。法国多元卫星高度计联合校准的海面风数据集认为大于25m/s的风速可疑，但保留了样本并做了标记，这样我们在挑选大风样本时逐个进行判断确定取舍。分别对岛屿站观测资料、船舶观测资料、卫星观测资料和台风风电场数值模型计算的杭州湾以北的台风大风中挑取网格点大风数据，由各种数据中选取最大值组成大风序列，利用Poisson-Gumbel 联合极值分布计算杭州湾以北0.5°网格点50年一遇最大风速。

四、风电机组安全等级区划

将计算所得的杭州湾南北的50年一遇最大风速合并，依据IEC 61400-1Wind Turbines定义的风电机组安全等级，将中国近海分为5类，可以看到浙南至闽北、粤东、海南岛东部近海风速最大（见图3），这是因为这些海域强台风和超强台风出现较多；台湾海峡比上述三个海域50年一遇最大风速小，主要是影响台湾海峡的台风在穿过台湾岛的过程中损失了大量的能量，比直接登陆浙闽交界处和粤东的台风强度弱。

图3 风电机组安全等级区划图

摄影：景秀勤

综合近海风能资源区划和风电机组安全等级区划，可以看到台湾海峡风能资源最好，但50年一遇最大风速为IECⅠ类，是最佳的海上风电开发海域。长江口以北和北部湾中西部风能资源一般，但50年一遇最大风速相对较低，具有开发价值。浙南至闽北、粤东、海南岛东部近海风能资源较好，但50年一遇风速会超IECⅠ类，主要是强台风和超强台风影响较频繁，目前台风型风电机组尚处于研发和试验阶段，建议对这些海域的风电场开发要慎重。

根据风能资源区划和风电机组安全等级区划，各级政府和设计院可以制定不同水深、不同离岸距离海上风电开发规划，发电企业可制定海上风电场布局，风电机组和大部件制造企业可根据自身的优势确定机组研发战略。