乌兰察布风电基地风能资源特征分析

徐 栋，白雪峰，孙 静

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安710065；2. 国家电投集团内蒙古能源有限公司，内蒙古 通辽028011)

0 前 言

乌兰察布风电基地位于内蒙古自治区中部的乌兰察布市四子王旗境内，装机规模600万kW，是国家批复的首个风电平价上网示范基地，也是全球陆上单体规模最大的风电场。在蒙古冷高压、蒙古气旋和区域特殊地形的多重影响下，风能资源尤为丰富。

风能资源特征分析是研究区域风能资源的形成规律和风能资源分布特点，为风电基地场址选择、布局优化和风电机组优化排布等提供关键依据。以往对大范围的风资源分析主要依靠测风塔、气象站风速资料的收集、计算，借助一定的经验判断一个区域风能资源的分布特点，应用中尺度数值模拟平台分析了风能资源特征，并对多种中尺度模拟数据的适用性进行了分析较少。本文应用高精度的气候模型和地形数据以及中尺度数值模拟平台，分析乌兰察布风电基地的区域风能资源特点，为大型风电基地风能资源分析提供借鉴。

1 分析方法

1.1 全球高精度气候模型

本文采用GEOS-5高精度气候模型，分析大气环流和天气系统尺度下风能资源的形成。GEOS-5(Goddard Earth Observing System, Version 5)是GEOS(Earth Observation System)模型的第五版，采用28km每像素的分辨率，可以高达3.5km每像素的分辨率进行全球气候模型分析，是目前世界上精度最高的气候模型。该模型利用数学方程来描述大气物理过程，运行于NASA戈达德太空飞行中心气候模拟中心的“探索”超级计算机上。

1.2 高精度雷达影像地形数据

本文采用SRTM数字地形图分析高大地形影响下风能资源的变化特点。SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)是由美国航空航天局实施的航天雷达地形测量任务，对地球表面进行雷达三维成像所获取的数字高程模型数据。本文采用SRTM-3数据，即将1°的面积分成1200×1200个小区域，每一网格大小为3弧秒(90 m×90 m)。STRM是目前现势性最好、分辨率最高、经度最好的全球性数字地形数据。

1.3 中尺度数据模拟平台

中尺度数据模拟平台是以中尺度再分析数据和大量测风塔实测数据为输入，采用中尺度数值天气预报WRF模式和资料同化技术进行模拟，借助强大的混合云计算资源形成精度较高的风资源数据。本文主要应用"格林威治"云平台和大贤风格能源气象平台进行分析。

2 风能资源形成

图1为GEOS-5气候模型模拟的乌兰察布风电基地区域大气环流场。由图1可见，因乌兰察布风电基地所在的四子王旗地处中纬度西风带，在西风环流控制下，全年盛行偏西风。因区域属温带大陆性气候区，冬半年地面在蒙古冷高压控制下，气压梯度增大，经常形成强劲的西北风。四子王旗地处蒙古高原南缘，是冬季冷空气南下进入我国的重要通道，风能资源丰富。

影响四子王旗境内气流运动的另一重要因素是即为蒙古气旋。蒙古气旋发生或发展在蒙古中部和东部高原，春秋季因冷暖空气活动频繁，发生频率较高，特点主要以大风天气现象为主。GEOS-5气候模型模拟的蒙古气旋仿真流场如图2、3所示，当蒙古气旋发生在蒙古高原中部时，四子王旗位于蒙古气旋影响的东南缘，风向以西南风为主；当蒙古气旋发生在蒙古高原东部时，四子王旗位于蒙古气旋影响的西南缘，风向以西风和西北风为主。

四子王旗及周边区域SRTM数字地形见图4。由图4可见，四子王旗中部和北部区域地形整体较为开阔，由北部和中部区域进入的西风气流穿越而过。由四子王旗南部进入的偏西风气流受到阴山北麓山脉的阻挡，逐步转变为西南风，由风电基地西南部进入，与北部和中部入流在风电基地西南部汇合，并在向东行进的过程中转变为偏西风气流。风电基地中部以丘陵地形为主，受地形效应影响风速得到加强，形成风能资源富集区域。

3 风能资源分布特点

乌兰察布风电基地位于四子王旗境内，宏观选址阶段首要考虑区域的风能资源分布情况。本文采用中尺度数值模拟技术得到的“格林威治”云平台和大贤风格能源气象平台进行分析。

“格林威治”云平台模拟的四子王旗风速分布见图5所示。风能资源富集区主要分布在东部的白音朝克图镇、查干补力格苏木和脑木更苏木，西部的江岸苏木、巴音敖包和红格尔苏木，90 m高度年平均风速在6.70～9.80 m/s，风功率密度在290～780 W/m2。对比大贤风格能源气象平台模拟的四子王旗风能资源分布情况，两者分布结果基本一致，但量级略有差异，90 m高度年平均风速较“格林威治”云平台模拟数据偏小约0.5～0.8 m/s。

由于两种平台模拟结果差异较大，本文采用具有同期观测资料的测风塔实测数据进行验证(见图6)。经对观测风速数据对比分析，“格林威治”云平台模拟数据与测风塔实测数据更为接近，统计分析的7座测风塔位置处模拟数据与实测数据绝对误差在0.74%～3.88%，大贤风格模拟绝度误差在5.7%～19.9%。乌兰察布风电基地内格林威治云平台模拟数据与实际风况更为接近，这与数值模拟过程中采用的资料同化方法和引入的实测数据量有关。经以上分析可见，乌兰察布风电基地所处的白音朝克图镇和查干补力格苏木北部区域属四子王旗风能资源最为丰富的区域。

乌兰察布风电基地场址区域地形特点为丘陵和平坦地形交错分布，东南部、北部和西北部区域以丘陵地形为主，东北部和西南部区域地形较为平坦。西风气流进入风电基地后，在丘陵地形的加速作用下，风速加强。风电基地风能资源水平整体丰富，其中以东南部、北部和西北部的丘陵区域最为集中。

风电基地90 m高度风速在7.0～10.5 m/s之间，风功率密度在400～1050 W/m2之间，根据根据GB/T 18710-2002《风电场风能资源评估方法》判定该风电场风功率密度等级为3～6 级。综合风能资源形成分析及中尺度数值模拟结果，基地风向分布基本以阴山北麓山脉延长线为界，西部区域主风向以偏西北风和偏西南风为主，东部区域以西风和西北风为主。这与四子王旗气象站观测资料和区域测风塔观测情况一致。

4 结 论

(1) 影响乌兰察布风电基地风能资源形成的主要因素有西风环流背景、温带大陆性气候类型特点、蒙古气旋以及阴山山脉特殊地形。在西风环流的大背景下，盛行偏西风；基地西部区域除盛行偏西风外，因西入气流南支受阴山北麓山脉阻挡，会并存有显著的西南风；基地北部和东部则以偏西风和西北风为主。此外，因基地处于蒙古气旋的南部影响边缘，受此影响，出现大风天气的频率较高，并且随着蒙古气旋的位置变化，基地会出现西偏北或西偏南的风向。

(2) 乌兰察布风电基地所选场址属四子王旗风能资源最为丰富的区域。基地90 m高度风速在7.0～10.5 m/s，风功率密度在400～1 050 W/m2，风功率密度等级为3～6 级。基地风向分布基本以阴山北麓山脉延长线为界，西部区域主风向以偏西北风和偏西南风为主，东部区域以西风和西北风为主。