风电机组轮毂高度比选中风切变指数的应用分析

文 | 胡己坤，王海华，李庆庆，袁红亮，刘玮

（作者单位：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司）

为适应不同地区风能资源特点，风电机组厂家通常会为一款风电机组配置多种不同轮毂高度的塔架，目前国内风电开发普遍向低风速区发展，高塔架的使用不仅成为提高风电场发电量的有效手段，甚至可能决定着项目能否最终上马，近年来钢-混凝土混合塔架及柔性塔架技术发展，风电机组经济可利用轮毂高度明显上升，低风速区域测风塔高度率先向120～150m发展，但仍有大量早期设立的70m、80m高度测风塔用于风电场设计，这就对风切变指数的拟合及使用提出了更高的要求。本文通过案例分析论证了现有风切变指数计算方法的局限性，提出6～11m/s风速段风切变指数对发电量估算结果影响最大，在评估时应重点予以考虑。

数据来源

甘肃酒泉东部某地120m高测风塔（下文简称1#测风塔）完整一年有效测风数据。测风塔所在地区为戈壁滩，周边地形平坦开阔。

风切变指数计算

1#测风塔塔高120m，分别在120m、110m、100m、90m、80m、70m、50m、30m和10m高度各安装有一套风速计，经检验处理后统计得到该测风塔各高度完整一年平均风速统计见表1。

按照指数公式计算1#测风塔不同高度之间风切变指数，计算公式为：

式中，α为风切变指数，Va、Vb分别为高度为Za、Zb处的平均风速。

1#测风塔各高度之间风切变指数拟合结果见表2。

从表2可以看出，1#测风塔高层风切变指数整体较大，其中90m和120m之间的风切变指数达0.145。此外若根据各时段风切变指数求平均值的方法得到风切变指数为0.151，根据大于3m/s风速的各时段风切变指数求平均值的方法得到风切变指数为0.139，采用风廓线指数拟合的方法得到风切变指数为0.146，三种方法计算得到的风切变指数均较大。

由于测风塔风切变较大，120m高塔架的经济性可能优于90m高塔架。本文以单机容量2500kW的某款风电机组为例，在测风塔周边按照梅花形布置25台风电机组进行发电量估算比较，其中方案一为90m高钢制塔架，采用1#测风塔90m高度实测风速资料进行计算，方案二和方案三均为120m高预应力混凝土-钢混合塔架，方案二采用1#测风塔120m高度实测风速资料进行计算，方案三采用90m高度实测资料通过风切变指数推算得到的120m风速数据进行计算（风切变指数以工程设计中最为常用的指数拟合方法为例计算得到，取0.146），理论发电量估算结果见表3。

表1 1#测风塔各高度完整一年平均风速统计表

表2 1#测风塔各高度之间风切变指数拟合结果表

从表3可以看出，与方案一相比，方案二与方案三理论发电量分别提升了4.53%和5.17%，方案三增幅更大，说明通过0.146的风切变指数推算出的120m高度风速数据较实测值偏大。

不同风速段风切变指数差异及影响

现有风切变指数计算方法的计算思路均为通过测风塔全部或部分数据，得出一个单一风切变指数值以拟合真实的风廓线特征。从算例中可以看出，这种单一的风切变指数值实际上并不能全面反映风廓线特征，因此出现了轮毂高度比选方案三中估算得到的发电量偏高的问题。

经研究发现，1#测风塔尽管在90m高度以上的整体风切变指数达0.146，但不同风速段风切变指数差异较大，1#测风塔90～120m高度不同风速段风切变指数变化曲线见图1。

由图1可以看出：

（1）1～4m/s风速段是风切变指数的最大值区，为0.232～0.438，但由于此时风电机组处于未切入或刚刚启动状态，对发电量增加几乎没有贡献；

（2）20～28m/s风速段是风切变指数的次大值区，为0.150～0.222，但由于此时风电机组处于满发或切出状态，对发电量增加亦没有贡献；

（3）11～20m/s风速段是风切变指数的较大值区，为0.128～0.154，但由于此时风电机组处于满发状态，对发电量增加同样没有贡献；

（4）4～11m/s风速段风电机组出力随风速增大不断增加且尚未达到额定功率，是风切变引起发电量增加的有效区域，其中4～6m/s风速段风切变指数较大，为0.156～0.158，但风能仅占4～11m/s风速段总风能的7.7%，且此时风电机组刚刚切入，出力较小，对发电量增加贡献不大；6～11m/s风速段风能占4～11m/s风速段总风能的92.3%，风电机组出力快速增加，对发电量增加贡献最大，但风切变指数较小，仅0.124～0.143，这是造成采用风切变指数推算高层风速时导致发电量被高估的主因。

表3 各方案理论发电量估算结果表

图1 1#测风塔90～120m高度不同风速段风切变指数变化曲线

考虑到不同风速段风切变指数存在差异且对发电量估算的影响亦不相同，采用分风速段拟合风切变指数很可能有助于降低发电量估算误差。采用指数拟合方法，按照1m/s为一个风速区间分别估算各段风切变指数，据此通过90m高度实测资料推算120m高度风速数据并进行发电量估算，得到算例中120m高度的理论发电量为19678.8万千瓦时，与90m高度相比发电量增加比例为4.75%，与方案三相比理论发电量估算误差减小了79.1万千瓦时。

结论

目前常用的风切变指数均是通过全部或部分测风数据计算得出的一个综合性数据，以此指导风电机组轮毂高度比选具有一定的局限性。实际上，风切变指数在不同风速段的大小是不同的，各风速段风切变指数对发电量的影响程度也不相同，其中6～11m/s风速段的风切变指数影响程度最大，在进行风电机组轮毂高度比选中若用于发电量估算的风速数据是由风切变指数推算获得，则应重点关注6～11m/s风速段的风切变指数。