两个新参数在云南山地风电场风能资源评估中的适用性分析

金燕 王学锋 范立张

（云南省气候中心，昆明 650034）

0 引言

风能资源评估主要包括点评估和区域评估，前者是指利用测风塔（站）观测数据，采用数理统计方法对风能资源各项参数进行直接计算评估；后者针对区域，主要依赖大气数值模拟技术，即基于大气动力学和热力学基本原理来描述近地层大气的运动过程以及地形、地貌对大气运动的影响[1]。

随着风能资源开发利用的快速推进，区域风能资源评估技术得到了迅速发展[2-4]，风电场风能资源数值模拟技术由一些商业软件提供技术支持[5-6]。而在风电场工程的风能资源评估中，基础参数的选择主要还是依据国家标准[7]，其对风能资源的能量指标评判主要参数是实测风速和风功率密度。杨振斌等[8]考虑到空气密度、风速频率分布是影响风能大小的两个重要因子，提出了相当风速、有功风功率密度两个新参数，旨在为准确进行风能资源评价提供更恰当的评价指标，并进行了试验性分析。

由于云南风电场位于山地[9]，风能资源分布极为复杂，一些新技术和新方法在投入应用时，相关工程技术人员进行了一些探索，例如在风电场选址方法[10]、针对区域风能资源模拟[11]、对山地风电场风能资源模拟软件的验证[12]等，都做了一些工作。但对于基础参数，相当风速和有功风功率密度两个新参数是否适用，需要进行探索和试验研究。因此，以云南山地风电场测风塔观测数据为基础，对两个新参数与实测风速和风功率密度进行对比分析，以探索其在山地风电场中的适用性，为山地风电场风资源评价提供更有意义的参考依据。

1 资料及方法

1.1 资料

本文选取位于云南东部典型山地、丘陵地带的杨梅山风电场两个观测年限较长、资料相对完整的测风塔风速观测资料作为基础研究数据，测风塔基本情况见表1。

表1 测风塔基本情况Table 1 Basic information about the wind towers

观测设备采用NRG系统，观测参数及取样情况见表2，由于风机轮毂高度距离地面均在60 m以上，本文选取65 m高度逐10 min平均风速作为风速的基础数据。

表2 研究数据基本情况Table 2 Basic information about the research data

针对风速、气温和气压资料的完整性检验、关系检验及缺测数据的处理，根据文献[13]的数据检验和数据插补相关要求进行。

1.2 计算方法

根据杨振斌等[8]提出的既兼顾空气密度又考虑风速频率分布的风能资源丰歉的直观判断参数相当风速和有功风功率密度的计算公式，对2011年1月1日—2013年12月31日间的两个风速仪所记录的逐10 min平均风速，计算相当风速和有功风功率密度，计算公式分别为：

式中，Vi(i=1,…, n)为实测风速，就本文而言，即风速仪所记录的逐10 min平均风速。

式中，v1为启动风速； v2为切出风速；p(v)为风速概率分布密度函数，不同型号风机都具有各自的“启动风速”，“切出风速”（切出风速指风力发电机组并网发电的最大风速，超过此风速机组将切出电网，就是风机会停机，停止发电），只有处于这两个风速区间的能量才能被风机部分地转换为电能，所以常常将“启动风速”和“切出风速”之间的风速称为“有效风速”。为不失一般性，本文“启动风速”和“切出风速”分别取3.5和25.4 m/s。

2 平均风速与相当风速的对比分析

2.1 风速年变化

图1给出了1#和2#测风塔65 m高度实测风速Vre与相当风速Ve年变化，从逐日的实测风速Vre与相当风速Ve来看，两个序列的相关系数均在0.999以上，通过了0.01的显著性检验。由图可知，两个测风塔65 m高度风速和相当风速在一年中的变化趋势一致，1—5月较大，7—9月较小，均呈现出明显的冬春季大、夏秋季小的全年两季风特征，这与云南其他山地风电场风速年变化特征一致。

图1 1#测风塔（a）和2#测风塔（b）实测风速Vre与相当风速Ve年变化Fig. 1 The annual change of Vre and Ve about tower No.1 (a)and No. 2 (b)

进一步分析两个观测点年均逐日实测风速与相当风速之间的差值变化。从图2可知两者之间的差值在年内呈现冬春季偏大，夏秋季偏小的特征，与风速的年变化规律一致。

图2 1#测风塔（a）和2#测风塔（b）实测风速Vre与相当风速Ve差值年变化Fig.2 Annual changes in the differences in Vre and Ve from towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

云南山地风场的海拔一般均在2000 m以上，年平均气温不高于12 ℃，根据平均空气密度公式推算得出两个测风塔空气密度大致在0.90附近，由此分析也可以印证相当风速小于实测风速。

从表3可以看出，1#和2#测风塔在观测时段内年平均实测风速Vre与相当风速Ve差值分别为1.7和1.9 m·s-1，两个变量间的差值季节性变化较为一致，即在夏秋季差值较小，一般小于2.0 m·s-1，在冬春季差值偏大，一般大于2.0 m·s-1。

表3 1#测风塔和2#测风塔实测风速Vre与相当风速Ve差值季节变化（单位：m·s-1）Table 3 Seasonal variation in the differences between Vre and Ve for towers No. 1 (a) and No. 2 (b) (unit: m·s-1)

由于相当风速是从能量的角度出发来阐述风速对风能大小影响的一个量纲的参量，在某种意义上已经摈弃了不做功的小风速和大风速，在年变化上相对平稳。平均风速在大风季偏大，小风季偏小，所以导致两者的差值在年变化中呈现与平均风速相同的变化趋势。

同时，考虑到相当风速是将某一平均风速系列，折算到标准大气下，服从瑞利分布的且具有相同能量的量纲参量，这样就使得在不同下垫面、不同海拔条件下风电场风能资源的比较成为了可能，这才是在风能资源评估中运用相当风速概念的真正价值所在。

2.2 风速频率

图3为两个观测点平均风速Vre与相当风速Ve的风速频率分布。由图可见实测风速较相当风速更趋向于正态分布，相当风速的风频在小风速段所占比例较高，同时大风速段所占比例减小。结合相当风速推导公式来看，相当风速是折算为标准大气压下的实际用来做功的那部分风速，同时还考虑了空气密度这一物理量。由于山地风电场多数建在山地高处，空气受到地形的抬升与挤压作用，在山脊处的风速明显高于山脚处，同时考虑空气密度随海拔的直减率，在山地高海拔地区空气密度明显低于平原。如果仅用实测风速来衡量做功的大小，则与实际做功之间势必会存在较大偏差，而选用相当风速来代替实测风速对山地风电场进行资源评估，则能避免这一偏差的出现，能量指标更趋于实际，也更直观。这也从侧面印证了相当风速与平均风速的差值存在大风季大，小风季小的变化特征。

图3 1#测风塔（a）和2#测风塔（b）实测风速Vre与相当风速Ve风速频率分布Fig. 3 The wind speed frequency distribution of Vre and Ve from towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

3 平均风功率密度与有功风功率密度对比

图4为两个观测点平均风功率密度与有功风功率密度的年均逐日分布图，从逐日的平均风功率密度W与有功风功率密度We来看，两个序列的相关系数均在0.999以上，通过了0.01的显著性检验。由图可知平均风功率密度与有功风功率密度全年的变化规律较为一致，即12月—次年4月风功率密度偏大，6—10月风功率密度偏小。

图4 1#测风塔（a）和2#测风塔（b）平均风功率密度W与有功风功率密度We年变化Fig. 4 Annual changes in W and We from towers No. 1 (a)and No. 2 (b)

从两者的差值变化来看（图5），两个观测点的有功风功率密度较平均风功率密度偏小，全年中，冬春季节两者的差值偏小，夏秋季差值偏大，与风速差值的年变化规律刚好相反。从公式来看，平均风功率密度为平均风速在整个统计时段内所做的贡献，而有功风功率密度是有效风速在整个统计时段内所做的贡献，所以有功风功率密度较平均风功率密度偏小。从两者的差值来看，由于云南在冬春季风速偏大，风机处于有效风力范围内对平均风能密度的直接贡献就大，所以两者的差值偏小；而在夏秋季风速普遍偏小，风机处于有效风力范围内对平均风能密度的直接贡献就小，所以两者的差值偏大。

图5 1#测风塔（a）和2#测风塔（b）平均风功率密度W与有功风功率密度We差值年变化Fig. 5 Annual change in the difference of W and We from tower No. 1 (a) and No. 2 (b)

从表4可以看出，1#和2#测风塔在观测时段内年平均风功率密度W与有功风功率密度We分别为1.6和1.2 W·m-2，两个变量间的差值季节性变化较为一致，即在夏秋季差值偏大，一般在2.0～3.0 W·m-2，在冬春季差值偏小，一般小于 1.0 W·m-2。

表4 1#测风塔和2#测风塔实平均风功率密度W与有功风功率密度We差值季节变化（单位：W·m-2）Table 4 The seasonal variation in the difference of W and We for towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

4 结论

1）风速和相当风速的年内变化一致，即冬春季大，夏秋季小；相当风速较实测风速偏小，两者之间的差值在年内变化与风速变化规律也基本一致，即在夏秋季差值较小，一般小于2.0 m·s-1，在冬春季差值偏大，一般大于2.0 m·s-1。

2）从风速频率分布来看，相当风速分布更为集中，摒弃了实测风速对风能不实际做功的部分，让能量指标更趋于实际，也更客观准确。

3）平均风功率密度与有功风功率密度的年内变化一致，即冬春季大，夏秋季小；有功风功率密度较平均风功率密度偏小，两者之间的差值在全年中呈现冬春季偏小，夏秋季偏大的特征，即夏秋季差值一般在2.0～3.0 W·m-2，冬春季差值一般小于1.0 W·m-2，这主要由于云南在冬春季风速偏大，风机处于有效风力范围内对平均风能密度的直接贡献就大，所以两者的差值偏小；而在夏秋季风速普遍偏小，风机处于有效风力范围内对平均风能密度的直接贡献就小，所以两者的差值偏大。

4）综合分析表明，对于云南山地风电场而言，相当风速和有功风功率密度对于风能资源的表征较实测风速和风功率密度更接近资源的实际，使得在不同下垫面、不同海拔条件下风电场的风能资源的简单比较成为了可能，作为一种资源评价指标加以应用是有实际意义的。