湖北省风电场大风速段风资源特征分析

王必强，陈正洪，孙朋杰，党超琪，徐迎春

（1.湖北省气象服务中心，湖北 武汉 430070；2.陕西省气象服务中心，陕西 西安 710014；3.武汉市气象局，湖北 武汉 430000）

0 引言

湖北省风能资源储量在华中4省中较为丰富，开发潜力巨大。风能资源的准确评估是建设风电场成败的关键[1]，尤其是对于风能分布区域较少且山地较多的湖北，如何准确评估风能资源显得尤为重要[2]。现有研究表明，由于风能资源的评估问题，导致风电场在投产后的实际发电量比预计低20%～30%，有的甚至低至40%[3]。

风速分布曲线是评估风能资源的重要手段，工程上常用Weibull分布来估算风电场风能资源的一些重要参数。严彦分析了测风时间间隔对风速Weibull分布参数计算的影响[4]。龚伟俊比较了4种方法的Weibull分布参数估计结果[5]。金燕提出了相当风速和有功风功率密度两个风能资源评估新参数[6]。吴婷婷利用测风塔年平均风速以及风功率密度、风速和风能频率分布、风向频率和风能密度方向分布、风切变指数、湍流强度、风能总储量等参数进行了风能资源评估[7]。中国气象局以400个测风塔实测数据得出了我国近地面层150 m高度范围内各高度层上的风能资源参数和资源分布立体图谱[8]。

在风能资源评估及风力发电中，通常认为风速大于满发风速即为大风速。近年来，湖北省风电场风机的满发风速普遍降为9.0 m/s。为便于区分和描述，本文将大于9.0 m/s的风速称为大风速段，将大于0.1 m/s的风速称为全风速段。虽然大风速段占比较低，但风电场30%～50%的发电量发生在大风速段，且大风速段观测受覆冰、仪器等影响较小，资料可靠性和完整性更好。近年来，湖北省气象服务中心利用风速、风功率密度、发电量等指标开展了湖北省全部测风塔的风能评估工作，并尝试将大风速段频率作为重要参数指标应用于全省风电场的风能资源评估中，取得了较好的应用效果。但是，针对湖北省风电场大风速段风速的时空分布研究还不够充分。

本文利用进行质量控制后的24座测风塔资料，进行了大风速段频率的时空分布特征分析和大风速段与全风速段风能资源对比。对比结果显示，相比平均风速、平均风功率密度和发电量3个关键指标，大风速段这一指标与前三者均有较强的一致性，且24座测风塔年发电量的30%～50%发生在大风速段。因此，在后期风能资源开发中，可将大风速段作为一个重要指标进行评估。

1 测风塔空间分布及资料处理

1.1 测风塔空间分布

湖北省风能资源空间分布具有“三带一区”的特征，分别为鄂东北的桐柏山大别山一线（随州至麻城）、中部的襄荆通道（襄阳至荆门）、鄂西南的利川齐岳山高山、鄂东低山丘陵湖区（黄冈东部、黄石、咸宁），本文中分别简称为鄂东北、中部、鄂西南、鄂东4个区域。本文所用资料为24座测风塔的实测数据（表1）。测风塔的空间分布如图1所示。其中鄂东北4座、中部7座、鄂西南6座、鄂东7座，观测时段均较长。

表1 测风塔信息Table 1 The information table of wind towers

图1 测风塔空间分布图Fig.1 The spatial distribution map of wind towers

1.2 数据及预处理

测风塔每个时次的风速、风向、气温、气压资料均为10 min平均值。依据《风电场工程风能资源测量与评估技术规范》（NB/T 31147—2018）[9]对测风塔的原始数据进行合理性检验，主要包括范围检验、相关性检验及变化趋势检验。根据表2，对不符合合理性检验标准的可疑数据，在分析该时次前后风速的变化趋势后，对风速较其它各层变化明显偏大，并且前后变化趋势明显不一致的数据进行剔除；如果该时次前后各高度同步变化，应属于合理数据，予以保留；对风速长时间显示为静风，或风速风向长时间固定的数据，予以删除。

表2 测风塔资料合理性检验项目及参数Table 2 Rationality inspection items and parameter of wind towers

2 大风速段的时空分布特征

2.1 平均风速和大风速段频率的空间分布特征

图2为24座测风塔平均风速和大风速段频率的空间分布图。

图2 平均风速和大风速段频率的空间分布Fig.2 The distribution of average wind speed and frequency of high wind speed section in the different regions

由图2可知，东北部黄冈、中部襄阳、鄂西南恩施以及北部随州的大风速段频率较大，平均风速与大风速段频率的空间分布特征基本一致。说明这些地区的风能资源较好，这也与湖北省风能资源分布的“三带一区”特征相符。

2.2 季节分布

图3为鄂东北、中部、鄂西南、鄂东区域的大风速段频率四季比例曲线，每条曲线代表该区域每个测风塔的均值。

由图3可知：夏季大风速段频率较高；鄂东北区域四季的大风速段频率区分较明显，夏季最高，冬季最低；鄂东和鄂西南为夏秋季较高，冬春季较低，且鄂东区域夏季10-15时大风速段所占比例较高，中部为春、夏、冬三季较高，秋季较低。从各区域的区域年均值和季节年均值来看，大风速段年均频率最高值为鄂东北区域的14.77，最低值为中部区域的11.01。

图3 大风速段频率四季比例图Fig.3 The curve of frequency of high wind speed section in different seasons for different regions

2.3 月分布

由表3可知：2-5月、7月、10月的大风速段频率较高；鄂东北区域10月频率较低；鄂东区域5月频率较低，12月频率较高；中部区域整体偏低。

表3 各区域逐月及年平均大风速段频率Table 3 The monthly and annually average frequency of high wind speed section in different regions %

续表3

2.4 日内分布

24座测风塔逐时大风速段频率整体呈现夜间大、白天小的特征，19时-次日7时大风速频率较高，11-15时大风速频率较低。图4为4个区域的逐时大风速段频率逐时均值图，整体呈现夜间大、白天小的特征。其中：鄂西南区域白天和夜间均值相差较大，中部区域白天和夜间均值相差较小；鄂东北区域均值较大，鄂东区域次之。

图4 不同区域大风速段逐时频率曲线Fig.4 The curve of hourly frequency of high wind speed section in different regions

2.5 风向特征

从每个区域前三风向频率之和的均值来看，鄂东北区域为58.04%，中部区域为69.55%，鄂西南区域为67.95%，鄂东区域为64.92%，可见24座测风塔的大风速段的风向均较为集中。鄂东北区域大风速时段风向集中于偏南风和偏北风两个方向；鄂东区域大风速时段风向集中于偏南风和偏东风两个方向；鄂西南区域大风速时段风向集中于偏东风和偏南风两个方向；中部区域大风速时段风向集中于偏北风方向。图5为每座测风塔前三风向频率之和与海拔的关系图。由图5可知，随着海拔上升，前三风向频率之和有下降趋势。

图5 24座测风塔海拔与前三风向频率之和的关系Fig.5 The Relationship between altitude and the sum of top tree wind direction frequency for 24 wind towers

3 大风速段与全风速段风能资源对比

目前风能资源评估中使用的3个重要指标为平均风速、平均风功率密度和发电量。为了对湖北省风能资源的分布特征有全面的认识，并对大风速段风能资料的空间分布等有深入的了解，本文对比了大风速段与全风速段对应的3个指标的情况。

3.1 年平均风速与大风速段频率特征

图6为24座测风塔的顶层年平均风速及大风速段频率曲线。其中鄂东北、中部、鄂西南、鄂东4个区域的顶层年平均风速与大风速段频率的相关性分别为0.954，0.922，0.886和0.983。由此可见，随着年平均风速的逐渐增大，大风速段频率也逐渐增大，呈现出很强的相关性。同时，4个区域的大风速段平均风速和年平均风速排序一致，均为鄂东北＞中部＞鄂东＞鄂西南。

图6 24座测风塔顶层年平均风速与大风速段频率Fig.6 The annual average wind speed and frequency of high wind speed section on the top layer of 24 wind towers

3.2 风功率密度特征

风功率密度表示与风向垂直的单位面积中风所具有的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。

通过计算每个时次的风功率密度，将全年的所有时次平均后得到DWP，其中大风速段时次的均值即为大风速段的DWP。

表4为4个区域的平均风功率密度及大风速段DWP。

表4 4个区域的平均风功率密度及大风速段DWPTable 4 The average wind power density of four regions and the average wind power density of high wind speed section

由表4可知，大风速段DWP明显大于DWP，24座测风塔的大风速段功率密度平均增大倍数为4.31倍。DWP与大风速段DWP的排序基本一致，均为鄂东北区域最大，中部和鄂东区域次之，鄂西南区域最小。同时依据《风电场工程风能资源测量与评估技术规范》（NB/T 31147—2018）中的表5.3.6-2，给出了各区域对应的风功率密度等级。

3.3 大风速段发电量特征

在风能资源评估中，理论发电量通常用等效满负荷运行小时数（简称满发小时数）来代表。表5为24座测风塔大风速段发电量及时次占比（GW121风机）。表中满发小时数是按照折减系数为1，根据所选风机的理论功率曲线和每个时次平均风速累加计算得出。由表5可知，大风速段时次虽然只占总时次的12.2%，但是大风速段时次的发电量却约占全年发电量的37.22%，其中，鄂东北区域为39.49%，中部区域为35.40%，鄂西南区域为35.90%，鄂东区域为38.89%，大风速段发电量远超低风速段。4个区域的总发电量和大风速段总发电量排序一致，均为鄂东北＞鄂东＞鄂西南＞中部。

表5 24座测风塔大风速段发电量及时次占比Table 5 The power generation and time ratio of 24 wind towers in the high wind speed section

4 结论

本文对湖北省风电场平均风速和大风速段频率的空间分布、大风速段的日、月、季分布和风向特征进行了详细的分析。同时对年平均风速与大风速段频率特征、风功率密度特征和大风速段发电量特征进行了分析。得到以下结论。

①平均风速与大风速段频率的空间分布特征基本一致。

②逐时大风速段频率整体呈现夜间大，白天小的特征。

③年平均风速和大风速段频率呈现出很强的相关性，平均风功率密度与大风速段平均风功率密度的排序基本一致。

④大风速段时次虽然只占总时次的12.2%，但是大风速段时次的发电量却占全年发电量的37.22%。