馮長青，包紫光，王成富

（1.內(nèi)蒙古電力勘測設計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.寧夏京能寧東發(fā)電有限責任公司，甘肅 寧夏 750001）

建設風電場最基本的條件是要有能量豐富、風向穩(wěn)定的風能資源，但風能資源越好的地區(qū)，發(fā)生大的破壞性風速的概率越高，容易使風機倒塌造成巨大經(jīng)濟損失。根據(jù)國際風電機組設計標準規(guī)定，50年一遇最大（10 min）和極大（3 s）風速是決定風電機組極限載荷的關鍵指標，也是風電項目開發(fā)中機組選型和經(jīng)濟評估的關鍵指標之一。所以在風電場可行性研究階段對風電場不同高度50年一遇最大和極大風速的估算成了必不可少的一項內(nèi)容。

在我國風電項目開發(fā)中，多用《全國風能資源評價技術規(guī)定》[1]中的耿貝爾玉型極值概率分布法估算風電場10皂高度50年一遇最大風速，再以氣象站與風電場風速的相關性和平均陣風系數(shù)1.4推算風電場內(nèi)不同高度50年一遇極大風速。這種方法存在的問題是，由于我國有長期資料的氣象觀測站點相對較少，取得資料不夠統(tǒng)一、詳細，氣象站普遍距離擬開發(fā)的風電場較遠，且二者的地形地貌差別較大，兩地風速的相關性、風電場內(nèi)不同高度風速的相關性都是隨風速的增大而變化的[2]，所以計算結(jié)果會有一定的誤差，僅以此計算結(jié)果只能說明測風點處的極大風速，并不能說明風電場內(nèi)每個風機位置的極大風速情況，所以本文在參考國內(nèi)外已經(jīng)較成熟的極值估算方法的基礎上[3]，采用Meteodyn WT軟件計算風電場各風機輪轂高度處的50年一遇極大風速，并通過比較分析，探討風電場內(nèi)輪轂高度處50年一遇極大風速計算結(jié)果的不確定性，為風電事業(yè)提供參考。

1 風電場概況

本文選取內(nèi)蒙古地區(qū)不同復雜程度的4個風電場及其距離最近的氣象站測風數(shù)據(jù)進行分析計算。A風電場地勢較平坦，海拔高度為1 202耀1 220 m，測風塔位于風電場的東南面，離氣象站距離約為28 km。B風電場地勢較平坦，海拔高度為1 780耀1 871 m，測風塔位于風電場的西面，離氣象站距離約為20 km。C風電場地形較復雜，海拔高度為1 416耀1 633 m，測風塔位于風電場的西南面，離氣象站距離為33 km。D風電場地形較復雜，海拔高度為1 751耀1 888 m，測風塔位于風電場的南面，離氣象站距離為40 km，相對位置見圖1。

圖1 氣象站與風電場的相對位置

2 風電場的安全等級

風力發(fā)電機組設計中需考慮的外部條件取決于風力發(fā)電機組安裝的預定場地或場地類型，依據(jù)風速和湍流參數(shù)確定風力發(fā)電機組的等級[4]。按50年一遇極大風速可將風電場的安全等級劃分為3級，對應的風機類型也有3級，見表1。50年一遇極大風速越大，需要的風機等級越高，風機的抗風性能越好[5]。50年一遇極大風速是判斷風電場的安全級別的主要指標，它的計算準確與否直接決定了風電場的安全合理性。

表1 風電場的安全等級劃分表

3 極大風速計算方法和結(jié)果分析

3.1 耿貝爾極值玉型的概率分布法

在擬建風電場的可行性研究階段對風電場極大風速的計算多采用耿貝爾極值玉型的概率分布法。根據(jù)氣象站歷年最大風速資料，采用Gumbel型進行頻率計算，風速的年最大值采用I型概率分布，其分布函數(shù)為：

式中，u為分布的位置參數(shù)，即分布的眾值；琢為分布的尺度參數(shù)；

分布的參數(shù)與均值滋和標準差滓的關系按下式確定：

式中，滋為平均風速，m/s；Vi為逐時風速，m/s；n為一年中逐時風速的個數(shù)；滓為標準差；琢為分布的尺度參數(shù)；c1、c2為矩法估算參數(shù)；u為分布的位置參數(shù)。

氣象站50年一遇最大風速V50_MAX按下式計算：

1）氣象站和風電場10 m高度處50年一遇最大風速：利用氣象站近40年的最大風速資料，計算出氣象站10 m高度處50年一遇最大風速；再由氣象站與風電場測風塔10 m高度的風速相關關系（見圖2）計算得出風電場10 m高度50年一遇最大風速，結(jié)果見表2。

表2 氣象站和風電場10 m高度處50年一遇最大風速(10 min)

圖2 氣象站與風電場測風塔10 m高度的日最大平均風速相關關系

2）風電場輪轂高度處（65 m）50年一遇最大風速和極大風速：在國際風電機組設計標準中，以統(tǒng)計平均陣風系數(shù)1.4推算50年一遇極大風速，主要是為了便于風電機組疲勞載荷的測算?，F(xiàn)在我國風能資源評估中也多用這樣的陣風系數(shù)，由50年一遇最大風速推算極大風速。因此，本文根據(jù)風電場測風塔最大風速間風切變指數(shù)可將風電場10 m高度處50年一遇最大風速推算至通常輪轂高度處（65 m）50年一遇最大風速，再采用平均陣風系數(shù)1.4計算風電場65 m高度處50年一遇極大風速。計算結(jié)果見表3。

表3 風電場65 m高處50年一遇最大風速（10 min）和極大風速（3 s）m/s

從表3采用耿貝爾極值玉型概率分布法的計算結(jié)果可以看出，A和B風電場屬于3類風場，C和D風電場屬于2類風場，因此，根據(jù)此計算結(jié)果在風機選型上A和B風電場應選擇3類風機，而C和D風電場應選擇2類風機。

3.2 Meteodyn WT推算法

Meteodyn WT是由法國Meteodyn公司開發(fā)的適用于任何地形條件的風流自動測算軟件，該軟件在風資源評估中的優(yōu)點是能減少復雜地形條件下評估的不確定性，得到整個場區(qū)的風流情況。Meteodyn WT通過載入地形數(shù)據(jù)、定義繪圖區(qū)域、定義測風點以及結(jié)果點，根據(jù)測風點的極大風速能推算出每個風機位置的極大風速。在地勢平坦地區(qū)，氣象站和風電場地形地貌差別較小，地形對風速的影響較小，所以采用耿貝爾極值玉型概率分布法的計算得到的風電場極大風速有一定的參考價值。但對于地形復雜的高山地區(qū)，氣象站和風電場地形地貌差別較大，地形對風速的影響較大，兩地風速的相關性、風電場內(nèi)不同高度風速的相關性都是隨風速的增大而變化的，耿貝爾極值玉型概率分布法的計算得到的風電場極大風速并不能完全代表風電場內(nèi)每個風機位置處的極大風速。所以針對不同復雜程度的風電場采用Meteodyn WT軟件利用測風點處的極大風速推算風電場內(nèi)風機位置處的極大風速，結(jié)果見表4。

表4 Meteodyn WT對風電場各風機位置處65 m高極大風速推算值m/s

從表4可以看出，在地形較平坦的A和B風電場，采用Meteodyn WT推算出A風電場風機50年一遇極大風速（3 s）在45.5耀46.5 m/s之間，B風電場風機50年一遇極大風速（3 s）在46.4耀50.2 m/s之間，與耿貝爾極值玉型概率分布法推算的50年一遇極大風速（3 s）相差很小，都屬3類風場；在地形復雜的C和D風電場，采用Meteodyn WT推算出C風電場風機50年一遇極大風速（3 s）在55.5耀60.4 m/s之間，D風電場風機50年一遇極大風速（3 s）在54.2耀60.6 m/s之間，與耿貝爾極值玉型的概率分布法推算的50年一遇極大風速（3 s）相差很大。

從最終結(jié)果看，以往只以測風塔處的50年一遇極大風速代表整個風電場的極大風速狀況并不完全合理。采用耿貝爾極值玉型的概率分布法推算的C和D風電場測風塔處50年一遇極大風速(3 s)屬2類風場，而采用Meteodyn WT推算的該風電場應該為1類風場。可見，在不同條件的風電場中，采用不同方法計算出的輪轂高度處50年一遇極大風速的結(jié)果是存在一定差別的，越是復雜的地區(qū)，差別表現(xiàn)得越明顯。所以在不同復雜情況的地區(qū)，應結(jié)合長期氣象觀測數(shù)據(jù)，并選取多種方法進行分析計算，以減少一些不確定因素帶來的誤差。

4 結(jié)論

1）由于長期資料的氣象觀測站資料不夠統(tǒng)一、詳細，氣象站普遍距離擬開發(fā)的風電場較遠，且二者的地形地貌差別較大，由耿貝爾玉型極值概率法計算50年一遇極大風速的結(jié)果都會存在一定的不確定性，有些地形復雜的地區(qū)，采用耿貝爾玉型極值概率法計算得到的極大風速并不能完全代表整個風電場區(qū)域的極大風速狀況。

2）在不同復雜情況的地區(qū)，應結(jié)合長期氣象觀測數(shù)據(jù)，并選取多種方法進行分析計算，以減少一些不確定因素帶來的誤差。對于本文所選的4個風電場計算結(jié)果而言，在平坦的A和B風電場，2種方法計算得到的極大風速果相差較小，都能代表風電場區(qū)域的極大風速狀況，但對于復雜的C和D風電場，2種方法計算得到的極大風速相差很大，因此，采用Meteodyn WT計算結(jié)果較優(yōu)，更能降低由于風機倒塌造成經(jīng)濟損失的風險。

[1]國家發(fā)改委.全國風能資源評價技術規(guī)定.發(fā)改能源[2004]865號，2004，4：4-6.

[2]呼津華，王相明.風電場不同高度的50年一遇最大和極大風速估算[J].應用氣象學報，2009，20（1）:108-113.

[3]楊振斌，薛桁，桑建國.復雜地形風能資源評估研究初探[J].太陽能學報，2004,25（6）:744-749.

[4]宮靖遠.風電場工程技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008：386-387.

[5]張江華.風電場安全風速計算方法研究[J].黑龍江電力，2007，29（6）:459-452.