杜燕軍,劉志聲,李鵬
(1.內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010020;2.西安電子科技大學(xué),陜西西安 710071;3.內(nèi)蒙古送變電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古呼和浩特 010020)
在風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估時(shí),常根據(jù)氣象站與測(cè)風(fēng)塔的相關(guān)關(guān)系,將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為一套反映風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)期平均水平的代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)資源分析,而對(duì)代表年風(fēng)速訂正是否合理是影響風(fēng)資源評(píng)估誤差的重要因素。所以,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源的評(píng)估是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、運(yùn)行的重要環(huán)節(jié),是風(fēng)電項(xiàng)目的根本,對(duì)風(fēng)能資源的正確評(píng)估是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)取得良好經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵[1]。為了提高對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源評(píng)估的準(zhǔn)確性,風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)往往根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)一年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合附近有代表性的長(zhǎng)期測(cè)站(氣象站)的觀測(cè)資料,進(jìn)行16風(fēng)向扇區(qū)風(fēng)速相關(guān)分析,然后根據(jù)相關(guān)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)訂正,將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為一套反映風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)期平均水平的代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)資源分析。
由于受大氣環(huán)流及地形影響,風(fēng)的隨機(jī)性很大[2],在一些風(fēng)場(chǎng)內(nèi),地形差異較大,氣象站往往設(shè)立在城市內(nèi)或者邊緣,受周圍環(huán)境干擾較大。一座氣象站涉及的區(qū)域多達(dá)幾百公里,而風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址遠(yuǎn)離城市,周圍沒有大的障礙物遮擋,同樣也遠(yuǎn)離長(zhǎng)期觀測(cè)站。由于觀測(cè)儀器本身以及周圍觀測(cè)環(huán)境的不同,兩者在測(cè)風(fēng)結(jié)果上必然存在差異,按照16個(gè)風(fēng)向扇區(qū)的相關(guān)必然導(dǎo)致風(fēng)向少的區(qū)域的相關(guān)性差,相同風(fēng)向的個(gè)數(shù)也較少,得到的結(jié)論存在一定的不確定性。所以本文以內(nèi)蒙古地區(qū)有代表性的風(fēng)場(chǎng)及參考?xì)庀笳緸槔?,采用常?guī)16風(fēng)向扇區(qū)風(fēng)速相關(guān)法及簡(jiǎn)化后的8風(fēng)向扇區(qū)風(fēng)速和4風(fēng)向扇區(qū)風(fēng)速相關(guān)法對(duì)代表年的數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正,并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行比較分析,為以后風(fēng)資源評(píng)估提供參考。
本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選用內(nèi)蒙古地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔(1號(hào)測(cè)風(fēng)塔)完整一年逐時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向和距風(fēng)電場(chǎng)最近的氣象站近30年的年平均風(fēng)速進(jìn)行分析。該測(cè)風(fēng)塔高為70 m,測(cè)風(fēng)時(shí)段為2008年5月1日~2009年4月30日。氣象站距風(fēng)電場(chǎng)直線距離約為20 km,觀測(cè)場(chǎng)海拔高度為274.7 m,比測(cè)風(fēng)塔海拔高度低約80 m。氣象站風(fēng)速儀距地高度無(wú)變化,均為10 m,觀測(cè)場(chǎng)周圍環(huán)境也未發(fā)生較大的變化,觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、一致性、完整性程度較高。
1.2.1 常規(guī)訂正方法
根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》[3-4]要求,將采集到的測(cè)風(fēng)塔完整一年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與氣象站對(duì)應(yīng)時(shí)段的數(shù)據(jù)按風(fēng)向劃分為16個(gè)風(fēng)向扇區(qū),然后根據(jù)各風(fēng)向象限的風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)分析,繪制各風(fēng)向象限內(nèi)風(fēng)速相關(guān)曲線;為使風(fēng)速值代數(shù)差值計(jì)算更加方便、直觀,將風(fēng)速相關(guān)曲線定義為y=kx+b(其中:y代表風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速,x代表氣象站風(fēng)速)線性方程,因?yàn)橛?6個(gè)風(fēng)向扇區(qū),所以可以得到16個(gè)類似的線性方程;對(duì)每個(gè)風(fēng)速相關(guān)曲線,在橫坐標(biāo)上標(biāo)明出氣象站多年的年平均風(fēng)速、以及測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)同期的氣象站年平均風(fēng)速,在縱坐標(biāo)軸找到對(duì)應(yīng)的測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)的2個(gè)風(fēng)速值,并求出這2個(gè)風(fēng)速值的代數(shù)差值;測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的各個(gè)象限內(nèi)的每個(gè)風(fēng)速都加上對(duì)應(yīng)的風(fēng)速代數(shù)差值,獲得訂正后的測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速。
1.2.2 簡(jiǎn)化的訂正方法
考慮到內(nèi)蒙古地區(qū)氣象站站點(diǎn)少,覆蓋區(qū)域大的特點(diǎn),16個(gè)風(fēng)向扇區(qū)并不完全適于該地區(qū)。如果將風(fēng)向扇區(qū)個(gè)數(shù)減少(如按8個(gè)風(fēng)向扇區(qū)或4個(gè)風(fēng)向扇區(qū)訂正),使更多的數(shù)據(jù)集中在每個(gè)扇區(qū)內(nèi),得到的每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的相關(guān)性將會(huì)有所不同。
1)8個(gè)風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)訂正方法
將采集到的測(cè)風(fēng)塔完整一年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與氣象站對(duì)應(yīng)時(shí)段的數(shù)據(jù)按風(fēng)向劃分為8個(gè)風(fēng)向扇區(qū),然后根據(jù)各風(fēng)向象限的風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)分析,繪制各風(fēng)向象限內(nèi)風(fēng)速相關(guān)曲線;為使風(fēng)速值代數(shù)差值計(jì)算更加方便、直觀,將風(fēng)速相關(guān)曲線定義為y=kx+b線性方程,可以得到8個(gè)類似的線性方程;對(duì)每個(gè)風(fēng)速相關(guān)曲線,在橫坐標(biāo)上標(biāo)明出氣象站多年的年平均風(fēng)速、以及測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)同期的氣象站年平均風(fēng)速,在縱坐標(biāo)軸找到對(duì)應(yīng)的測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)的2個(gè)風(fēng)速值,并求出這2個(gè)風(fēng)速值的代數(shù)差值;測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的各個(gè)象限內(nèi)的每個(gè)風(fēng)速都加上對(duì)應(yīng)的風(fēng)速代數(shù)差值,獲得訂正后的測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速。
2)4個(gè)風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)訂正方法
將采集到的測(cè)風(fēng)塔完整一年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與氣象站對(duì)應(yīng)時(shí)段的數(shù)據(jù)按風(fēng)向劃分為4個(gè)風(fēng)向扇區(qū),其他與16個(gè)風(fēng)向扇區(qū)和8個(gè)風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)計(jì)算過(guò)程相同。
將1號(hào)測(cè)風(fēng)塔70 m高度完整一年的風(fēng)速風(fēng)向與氣象站10 m高度處同步實(shí)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行16個(gè)風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)分析,相關(guān)分析結(jié)果見表1。
由表1可知:①在16個(gè)風(fēng)向扇區(qū)中有8個(gè)風(fēng)向扇區(qū)的相關(guān)系數(shù)低于0.8,其中SE風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)僅為0.58,較低的相關(guān)系數(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)訂正的不確定性也較大;②主導(dǎo)風(fēng)向扇區(qū)上同期風(fēng)向集中在同一扇區(qū)個(gè)數(shù)較少,而非主導(dǎo)風(fēng)向扇區(qū)上同期風(fēng)向風(fēng)向集中在同一扇區(qū)個(gè)數(shù)卻相對(duì)較多,各風(fēng)向扇區(qū)上同期風(fēng)向集中在同一扇區(qū)個(gè)數(shù)比例差異變化較大;③將測(cè)風(fēng)塔70 m與氣象站同期風(fēng)向(數(shù)字)進(jìn)行對(duì)比分析,同期風(fēng)向差值絕對(duì)值小于11.25度的個(gè)數(shù)為1 850個(gè)(總數(shù)為8 760個(gè)),兩者風(fēng)向不相同的個(gè)數(shù)為6 910個(gè),不相同的個(gè)數(shù)占總數(shù)的比例高達(dá)78.9%;④將測(cè)風(fēng)塔70 m與氣象站同期風(fēng)向(字母)進(jìn)行對(duì)比分析,兩者風(fēng)向相同的個(gè)數(shù)為1 792個(gè)(總數(shù)為8 760個(gè)),兩者風(fēng)向不相同的個(gè)數(shù)為6 968個(gè),不相同的個(gè)數(shù)占總數(shù)的比例高達(dá)80%。
表1 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔70 m與氣象站10 m風(fēng)速相關(guān)參數(shù)Tab.1 Relevant parameters of wind speed at the 70 m height of the wind farm monitoring mast and at the 10 m height of the weather station
將1號(hào)測(cè)風(fēng)塔70 m高度完整一年的風(fēng)速風(fēng)向與氣象站10 m高度處同步實(shí)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行8個(gè)風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)分析,相關(guān)分析結(jié)果見表2。
表2 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔70 m與氣象站10 m風(fēng)速相關(guān)參數(shù)Tab.2 Relevant parameters of wind speed at the 70 m height of the wind farm monitoring mast and at the 10 m height of the weather station
由表2可知:①對(duì)于8個(gè)風(fēng)向扇區(qū)作相關(guān),相關(guān)系數(shù)除SE風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)為0.67,其余風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)都大于0.8,按此方法進(jìn)行相關(guān)分析的結(jié)果優(yōu)于16風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)分析的結(jié)果;②相對(duì)于16風(fēng)向扇區(qū)計(jì)算結(jié)果,主導(dǎo)風(fēng)向扇區(qū)上同期風(fēng)向風(fēng)向集中在同一扇區(qū)個(gè)數(shù)明顯增加,各風(fēng)向扇區(qū)上同期風(fēng)向集中在同一扇區(qū)個(gè)數(shù)比例差異在減??;③將測(cè)風(fēng)塔70 m與氣象站同期風(fēng)向(數(shù)字)進(jìn)行對(duì)比分析,同期風(fēng)向差值絕對(duì)值小于22.5度的個(gè)數(shù)為3 391個(gè)(總數(shù)為8 760個(gè)),兩者風(fēng)向不相同的個(gè)數(shù)為5 369個(gè),不相同的個(gè)數(shù)占總數(shù)的比例減少到61.3%;④將測(cè)風(fēng)塔70 m與氣象站同期風(fēng)向(字母)進(jìn)行對(duì)比分析,同期風(fēng)向相同的個(gè)數(shù)為3 544個(gè)(總數(shù)為8 760個(gè)),不相同的個(gè)數(shù)為5 216個(gè),不相同的個(gè)數(shù)占總數(shù)的比例減少到59%。
將1號(hào)測(cè)風(fēng)塔70 m高度完整一年的風(fēng)速風(fēng)向與氣象站10 m高度處同步實(shí)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行4個(gè)風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)分析,相關(guān)分析結(jié)果見表3。
表3 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔70 m與氣象站10 m風(fēng)速相關(guān)參數(shù)表Tab.3 Relevant parameters of wind speed at the 70 m height of the wind farm monitoring mast and at the 10 m height of the weather station
由表3可知:①對(duì)于4個(gè)風(fēng)向扇區(qū)作相關(guān),相關(guān)系數(shù)都大于0.8,相關(guān)性優(yōu)于前2種方法;②相對(duì)于16風(fēng)向扇區(qū)和8風(fēng)向扇區(qū)的計(jì)算結(jié)果,主導(dǎo)風(fēng)向扇區(qū)上同期風(fēng)向集中在同一扇區(qū)個(gè)數(shù)顯著增加,各風(fēng)向扇區(qū)上同期風(fēng)向集中在同一扇區(qū)個(gè)數(shù)比例差異進(jìn)一步在減少;③將測(cè)風(fēng)塔70 m與氣象站同期風(fēng)向(數(shù)字)進(jìn)行對(duì)比分析,同期風(fēng)向差值絕對(duì)值小于45度的個(gè)數(shù)為5 735個(gè) (總數(shù)為8 760個(gè)),不相同的個(gè)數(shù)為3 025個(gè),不相同的個(gè)數(shù)占總數(shù)的比例減少到34.5%;④將測(cè)風(fēng)塔70 m與氣象站同期風(fēng)向(字母)進(jìn)行對(duì)比分析,兩者風(fēng)向相同的個(gè)數(shù)為5 130個(gè)(總數(shù)為8 760個(gè)),不相同的個(gè)數(shù)為3 630個(gè),不相同的個(gè)數(shù)占總數(shù)的比例減少到41%。
分別按照16個(gè)風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)、8個(gè)風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)、4個(gè)風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)進(jìn)行分析,按各風(fēng)向扇區(qū)對(duì)應(yīng)得y=kx+b線性方程進(jìn)行各風(fēng)向扇區(qū)數(shù)據(jù)訂正,風(fēng)速數(shù)據(jù)訂正結(jié)果如表4。
由表4的結(jié)果可知,不論采用那種訂正方法,計(jì)算得到的各月平均風(fēng)速及年平均風(fēng)速結(jié)果基本一致,差值都很小。
WEIBULL分布曲線普遍適用于風(fēng)速統(tǒng)計(jì)描述的概率密度函數(shù)[5],給定了分布參數(shù)A和K值后,平均風(fēng)功率密度、有效風(fēng)功率密度、風(fēng)能可利用小時(shí)數(shù)都可以方便求得。表5和表6為不同風(fēng)向扇區(qū)相關(guān)下的各高度A和K值。由表5、表6可見,采用不同風(fēng)向扇區(qū)訂正后完整一年代表性數(shù)據(jù)70 m高度處的A和K值都相同,采用16風(fēng)向扇區(qū)訂正結(jié)果的K值略偏高于其他2種方法。由表6可見,采用不同風(fēng)向扇區(qū)訂正后5個(gè)月代表性數(shù)據(jù)70 m高度處的A值都相同,采用16風(fēng)向扇區(qū)訂正結(jié)果的K值略偏低于其他2種方法。
表5 不同方法訂正后完整一年代表性數(shù)據(jù)70 m高度的A、K值Tab.5 The A and K values of representative data at 70 m height in a complete year after revision by different methods
表6 不同方法訂正后5個(gè)月代表性數(shù)據(jù)70m高度的A、K值Tab.6 The A and K values of representative data at 70 m height in five months after revision by different methods
1)風(fēng)向扇區(qū)分布范圍越大,相同風(fēng)向出現(xiàn)的概率也越大,在同一風(fēng)向扇區(qū)出現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)也越多,相關(guān)性也越好。4風(fēng)向扇區(qū)風(fēng)速相關(guān)性優(yōu)于8風(fēng)向扇區(qū)風(fēng)速相關(guān)性,兩者又都優(yōu)于16風(fēng)向扇區(qū)風(fēng)速的相關(guān)性。
2)采用4風(fēng)向扇區(qū)和8風(fēng)向扇區(qū)風(fēng)速相關(guān)性進(jìn)行修正得到的代表年月平均風(fēng)速的結(jié)果與16風(fēng)向扇區(qū)風(fēng)速的相關(guān)性進(jìn)行修正得到的代表年月平均風(fēng)速的結(jié)果一致。
3)本項(xiàng)目測(cè)風(fēng)塔距離氣象站僅有20 km,風(fēng)向上的差異已經(jīng)較為明顯,而有些地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)往往距離氣象站都在50 km之外,再加上受周圍環(huán)境干擾,風(fēng)向上的差異更為明顯,8個(gè)風(fēng)向扇區(qū)(或4個(gè)風(fēng)向扇區(qū))作相關(guān)分析可以使各扇區(qū)的相關(guān)性更優(yōu),同樣能夠保證數(shù)據(jù)訂正的可靠性。
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