文 | 高興強(qiáng)

風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速計(jì)算方法總結(jié)

文 | 高興強(qiáng)

風(fēng)電開(kāi)發(fā)必須進(jìn)行可行性研究，選擇風(fēng)能資源較好的區(qū)域進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)。風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速是風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分析的重要指標(biāo)，是風(fēng)電機(jī)組選型的重要參考，是保證風(fēng)電機(jī)組安全有效運(yùn)行的重要前提。

本文主要按照《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》的要求取得的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)進(jìn)行50年一遇最大風(fēng)速的分析，總結(jié)的方法有WasP Engineering分析法、Windographer分析法、五日雷暴法、最大風(fēng)速比值修正法、切變推求法、風(fēng)壓推求法、五倍平均風(fēng)速法等多種方法。

WasP Engineering分析法

利用WasP Engineering計(jì)算50年一遇最大風(fēng)速（V50－max）所需要的基礎(chǔ)資料有風(fēng)電場(chǎng)所在地區(qū)的矢量地形圖、測(cè)風(fēng)塔位置坐標(biāo)、實(shí)測(cè)的大風(fēng)數(shù)據(jù)等。其中，矢量地形圖可以借助Global Mapper軟件獲取。下面簡(jiǎn)單總結(jié)一下WasP Engineering的操作步驟：

（1）導(dǎo)入矢量地形圖

新建一個(gè)工程，選擇風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域的矢量地形圖，如圖1所示。勾選“Use new gridding method”選項(xiàng)，框選風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域，導(dǎo)入地形圖。

（2）新建測(cè)風(fēng)塔

調(diào)用“Insert new site into”命令，將測(cè)風(fēng)塔的位置落到地形圖上，如圖2所示。

（3）導(dǎo)入一個(gè)實(shí)測(cè)的大風(fēng)數(shù)據(jù)

如在測(cè)風(fēng)塔一個(gè)實(shí)測(cè)的大風(fēng)為方向180，風(fēng)速35m/s，調(diào)用“Insert wind into”命令，如圖3所示輸入相關(guān)是數(shù)據(jù)。

（4）修改觀測(cè)點(diǎn)的高度（heights）

調(diào)用“Insert new height into”命令，修改觀測(cè)點(diǎn)的高度，如圖4所示。

（5）評(píng)估50年一遇最大風(fēng)速

調(diào)用“Observed extreme wind climate from file”命令，導(dǎo)入實(shí)測(cè)的OEWC文件（由WAsP Climate Analyst工具導(dǎo)出），如圖5所示。最后，調(diào)用“convert to a regional extreme wind climate”命令，得到REWC。

如圖6所示，50年一遇最大風(fēng)速V50－max＝37.6m/s。需要注意的是，在這里要按下“toggle apply to site”圖標(biāo)。

圖1 新建工程

圖2 Maps and sites

圖3 Winds

圖4 Heights

圖5 導(dǎo)入OEWC文件

圖6 生成REWC文件

表1 Site list

表2 50 year wind [m/s]

另外，通過(guò)Tools中的Reporting功能，還可以輸出word格式的報(bào)告文件如表1和表2。

Windographer分析法

利用Windographer計(jì)算50年一遇最大風(fēng)速操作步驟比較簡(jiǎn)單，如下：

（1）將測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)（NRG導(dǎo)出的10min測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)）導(dǎo)入軟件中，進(jìn)行相關(guān)是設(shè)置，軟件便會(huì)自行計(jì)算各種參數(shù)。

（2）調(diào)用“Analyze”下拉菜單下的“Extreme Wind Analysis”，就可以得到測(cè)風(fēng)塔各高度的極端風(fēng)速，包括20年、25年、50年、100年一遇最大風(fēng)速（10－min means）和3s極大風(fēng)速（Gusts）。計(jì)算結(jié)果如圖7所示，V50－max＝30.5m/s。

圖7 Extreme Wind Analysis

五日雷暴法——耿貝爾分析法的一種變形

耿貝爾分析法的原理是：選取氣象站連續(xù)N個(gè)年最大風(fēng)速樣本序列（N≥15），通過(guò)計(jì)算極值I型概率分布的相關(guān)參數(shù)（包括：均值、標(biāo)準(zhǔn)差、尺度參數(shù)、位置參數(shù)），利用公式計(jì)算得50年一遇最大風(fēng)速。

（1）

五日雷暴法是通過(guò)選取代表年每五日10min平均風(fēng)速的最大值樣本序列（N＝73），通過(guò)計(jì)算極值I型概率分布的相關(guān)參數(shù)，利用公式（2）計(jì)算得50年一遇最大風(fēng)速。此方法相對(duì)于耿貝爾分析法的優(yōu)勢(shì)在于，只需要一年的實(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，在沒(méi)有可靠的相關(guān)氣象站資料的情況下，也能給出可參考的結(jié)論。

（2）

在這里，主要通過(guò)EXCEL創(chuàng)建公式模板（如圖8和表3）來(lái)計(jì)算50年一遇最大風(fēng)速，計(jì)算步驟如下：

（1）選取五日最大風(fēng)速樣本序列（N＝73）

18.5 14.4 16.5 17.7

16.1 16 14 18.7 12.3

12.7 13.4 17.5 11.7

15.2 15.9 14.8 17.3

18.5 14.4 15.6 11.7

11.8 15 12 14.7

12.3 15.1 18.5 18.2

12.1 12 14.9 13.2

10.7 13.7 15.2 12.1

15.3 19.8 16.7 19.8

14.1 16.7 16.3 23.3

17.7 15.6 15.2 23.7

15.5 18.9 15.4 12.3

12.4 13.1 18.8 23.4

22.4 15.6 15.1 24.5

15.8 14.7 18.8 18.8

14.1 16.4 25.4 17.4

15.4 18.8 20.5 19.9

將以上數(shù)據(jù)放到名為“73個(gè)數(shù)據(jù)”的工作表中，從A1－A73依次排列。

（2）求均值，調(diào)用公式

“＝AVERAGE( )”

圖8 五日雷暴法EXCEL模板

表3 耿貝爾C1、C2系數(shù)表

＝AVERAGE('73個(gè)數(shù)據(jù)'!A1:A73)＝16.192

（3）求標(biāo)準(zhǔn)差，調(diào)用公式“＝STDEV( )”

＝STDEV('73個(gè)數(shù)據(jù)

'!A1:A73)＝3.294851

（4）計(jì)算C1、C2

由于N＝73，無(wú)法直接查取相應(yīng)的系數(shù)，在此利用“插值法”計(jì)算，得出C1＝1.187907，C2＝0.555403

（5）求尺度參數(shù)α和位置參數(shù)μ α＝B12/B8＝0.360534

μ＝B5－B13/B16＝14.65128

（6）求50年一遇最大風(fēng)速

V50－max＝B17－(1/B16)*LN(LN

((50*73)/(50*73－1)))＝37.4018m/s。

最大風(fēng)速比值修正法

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)與氣象站共處一個(gè)風(fēng)帶，且距離較近時(shí)，可根據(jù)氣象站50年一遇最大風(fēng)速（V50－氣象站），以測(cè)風(fēng)塔與氣象站同時(shí)段實(shí)測(cè)最大風(fēng)速的比值進(jìn)行修正，計(jì)算公式如下：

V50－max＝ V50－氣象站*（V測(cè)風(fēng)塔/V氣象站）其中，V測(cè)風(fēng)塔、V氣象站分別為測(cè)風(fēng)塔和氣象站同期實(shí)測(cè)最大風(fēng)速。

切變推求法

根據(jù)氣象站50年一遇最大風(fēng)速（V50－氣象站），用風(fēng)電場(chǎng)10m高度與氣象站小時(shí)平均風(fēng)速相關(guān)推求得到10m高度的50年一遇最大風(fēng)速，再根據(jù)風(fēng)切變指數(shù)推求其他高度。

風(fēng)壓推求法

圖9 風(fēng)壓推求法EXCEL模板

風(fēng)壓推求法的原理比較簡(jiǎn)單，就是利用風(fēng)壓公式（ωp＝0.5ρv2）變形反推近地面50年一遇最大風(fēng)速，然后利用風(fēng)切變指數(shù)推求其他高度風(fēng)速。創(chuàng)建EXCEL模板如圖9所示。

（1）輸入空氣密度和風(fēng)壓值，即可得近地面50年一遇最大風(fēng)速（計(jì)算公式為：“＝SQRT(2000*B3/ B2)”）。風(fēng)壓值可查詢《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》。

（2）輸入輪轂高度及切變值，即可得到輪轂高度50年一遇最大風(fēng)速（計(jì)算公式為：“＝((B5/10)^B6)*B4”）：

V50－max＝31.825m/s

五倍平均風(fēng)速法

Weibull曲線是一種用于擬合風(fēng)速頻率分布的線型，由形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)c決定。中國(guó)地區(qū)的k值通常在1.0－2.6之間。

歐洲風(fēng)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ中建議，在中緯度（南北緯30度－60度之間）地區(qū)，地形比較平坦的風(fēng)電場(chǎng)，當(dāng)Weibull 分布的形狀參數(shù)k≥1.77時(shí)，可以用五倍平均風(fēng)速來(lái)計(jì)算50年一遇最大風(fēng)速，即V50－max/Vave＝5 是合適的。

如果所建風(fēng)電場(chǎng)地形比較復(fù)雜，Weibull 分布的形狀參數(shù)1.4≤k≤1.5時(shí)，必須要提高這一比率，即V50－max/Vave＝6.6，才能符合風(fēng)電場(chǎng)要求。

由1032#測(cè)風(fēng)塔10min風(fēng)速數(shù)據(jù)，計(jì)算得到Vave＝7.403m/s，k≥1.77，因此，可以推算50年一遇最大風(fēng)速：

V50－max＝7.403*5=37.015(m/s)

結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速的計(jì)算方法有很多，在此僅總結(jié)這幾種，借助風(fēng)能資源分析軟件及excel模板，以期能為后續(xù)類似風(fēng)電場(chǎng)工程提供借鑒，同時(shí)，通過(guò)不同方法計(jì)算的50年一遇最大風(fēng)速能夠?yàn)轫?xiàng)目可行性研究報(bào)告中機(jī)組選型提供更加有利的參考。

當(dāng)然，由于筆者經(jīng)驗(yàn)和能力有限，這些方法還存在很多不足之處，還望廣大專家學(xué)者能夠批評(píng)指正。

（作者單位：龍?jiān)磳幭娘L(fēng)力發(fā)電有限公司）