何如等

摘 要：利用桂林氣象站經(jīng)過(guò)一致性訂正后的年最大風(fēng)速資料，采用極值I型分布函數(shù)推算出桂林氣象站50年一遇最大風(fēng)速作為基本風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔連續(xù)完整一年的實(shí)測(cè)最大風(fēng)速資料，通過(guò)建立氣象站與測(cè)風(fēng)塔之間的相關(guān)關(guān)系，采用比值法將基本風(fēng)速推算得出風(fēng)電場(chǎng)各高度的設(shè)計(jì)風(fēng)速。結(jié)果表明：桂林氣象站10m高度50年一遇最大風(fēng)速為20.3m/s；桂林氣象站與測(cè)風(fēng)塔70m高度的最大風(fēng)速的比值為1.536；測(cè)風(fēng)塔50m、70m、80m高度50年一遇最大風(fēng)速分別為30.0m/s、31.2m/s和31.6m/s；風(fēng)電場(chǎng)近似輪轂高度（80m）標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下50年一遇最大風(fēng)速為29.1m/s，建議風(fēng)電場(chǎng)采用Ⅲ類風(fēng)電機(jī)組。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；設(shè)計(jì)風(fēng)速；極值I型；一致性訂正

前言

風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速作為風(fēng)能資源評(píng)估中一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，是決定風(fēng)電機(jī)組極限載荷的關(guān)鍵指標(biāo)，也是風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)中機(jī)組選型和經(jīng)濟(jì)評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1-3]。根據(jù)風(fēng)能資源評(píng)估的要求[4]，需要在風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址處設(shè)立測(cè)風(fēng)塔開展至少連續(xù)一年的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。由于測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)的時(shí)間較短，需要結(jié)合附近具有代表性的氣象站的長(zhǎng)期觀測(cè)資料來(lái)進(jìn)行風(fēng)資源分析。目前，風(fēng)電項(xiàng)目的評(píng)估大多數(shù)通過(guò)建立參證氣象站與測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速的相關(guān)性，由氣象站歷年最大風(fēng)速序列作為基礎(chǔ)，推算風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速[5-8]。隨著全球氣候變暖和城市化的加劇，氣象站周邊觀測(cè)環(huán)境遭到了比較嚴(yán)重影響，對(duì)氣象站歷年最大風(fēng)速序列進(jìn)行一致性訂正，能更好地反映該區(qū)域長(zhǎng)年代風(fēng)環(huán)境的變化特征。文章以桂林地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)為例，探討了基于氣象站長(zhǎng)期觀測(cè)資料一致性訂正基礎(chǔ)上，采用極值I型分布函數(shù)推算風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速的方法，為風(fēng)電場(chǎng)的最大風(fēng)速設(shè)計(jì)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

收集桂林地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)一座70m高測(cè)風(fēng)塔2012年4月1日00：00（北京時(shí)，下同）～2013年3月30日23：50實(shí)測(cè)的逐日10min平均最大風(fēng)速資料，測(cè)風(fēng)塔海拔高度為1358m，測(cè)風(fēng)塔在距地70m、50m、30m與10m高度層安裝有風(fēng)速儀，在70m、10m高度安裝有風(fēng)向儀。

風(fēng)電場(chǎng)鄰近的長(zhǎng)期觀測(cè)氣象站為桂林氣象站，屬國(guó)家基本氣象站，無(wú)遷站記錄。該站位于風(fēng)電場(chǎng)的西北部，二者距離45km。桂林氣象站觀測(cè)場(chǎng)海拔高度為164.4m，風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)儀距地10.5m。桂林氣象站自1971年開始對(duì)10min平均最大風(fēng)速進(jìn)行觀測(cè)，滿足《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]中對(duì)資料年限的要求：“選取的年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，一般應(yīng)有25年以上的資料”。收集該站1971～2012年10min平均年最大風(fēng)速及與測(cè)風(fēng)塔同期觀測(cè)的逐日最大風(fēng)速數(shù)據(jù)。

1.2 思路和方法

1.2.1 基本思路和步驟

首先建立氣象站歷年最大風(fēng)速序列，并對(duì)其進(jìn)行一致性訂正；采用極值I型概率分布函數(shù)計(jì)算出氣象站50年一遇10min平均最大風(fēng)速作為基本風(fēng)速；建立氣象站與測(cè)風(fēng)塔同期最大風(fēng)速序列之間的相關(guān)關(guān)系，采用比值法對(duì)測(cè)風(fēng)塔50年一遇10min平均最大風(fēng)速進(jìn)行推算；采用冪指數(shù)法推算風(fēng)電場(chǎng)不同高度上的設(shè)計(jì)風(fēng)速。

1.2.2 氣象站風(fēng)速一致性訂正方法

為了使桂林氣象站年最大風(fēng)速具有可比性，需要對(duì)其歷年最大風(fēng)速序列進(jìn)行一致性訂正。根據(jù)歷史沿革情況，對(duì)歷年最大風(fēng)速序列分別進(jìn)行高度訂正、儀器訂正和環(huán)境訂正，方法如下：

（1）高度訂正。按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]的規(guī)定，將歷年的測(cè)風(fēng)高度統(tǒng)一訂正到10m高度，其表達(dá)式為：

（2）測(cè)風(fēng)儀器和環(huán)境訂正。利用更換儀器前后各一年風(fēng)速資料，利用t檢驗(yàn)方法進(jìn)行風(fēng)速差異性檢驗(yàn)，其公式為：

式（2）中：x1、s1、n1和x2、s2和n2分別為更換儀器前和儀器更換后樣本資料的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和樣本數(shù)。取信度α=0.01，如果tα>|t|，說(shuō)明兩次儀器更換前后兩個(gè)樣本差異不明顯，不需要進(jìn)行測(cè)風(fēng)儀器的訂正，否則需要訂正，訂正方法采用《風(fēng)電場(chǎng)氣象觀測(cè)及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范》[10]推薦的比值法。

對(duì)氣象站周邊環(huán)境變化較大年份的風(fēng)速數(shù)據(jù)也采用上述方法進(jìn)行檢驗(yàn)和訂正。

1.2.3 極值I型推算方法

風(fēng)速極值的重現(xiàn)期計(jì)算一般有四種方法：極值I型分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、Weibull分布和皮爾遜Ⅲ型分布。采用國(guó)家規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]推薦的極值I型分布函數(shù)，計(jì)算50年一遇10min平均最大風(fēng)速。

1.2.4 氣象站與測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速的比值推算

由于測(cè)風(fēng)塔資料年代短，不具備進(jìn)行概率計(jì)算的條件，一般利用氣象站的長(zhǎng)年代測(cè)風(fēng)資料推算出的基本風(fēng)速換算到測(cè)風(fēng)塔所在地。訂正方法采用《風(fēng)電場(chǎng)氣象觀測(cè)及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范》[10]推薦的比值法，測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速y與氣象站風(fēng)速x之間構(gòu)成以下關(guān)系：

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象站最大風(fēng)速推算

圖1為桂林氣象站1971～2012年經(jīng)過(guò)訂正前后的歷年最大風(fēng)速變化圖。從桂林氣象站實(shí)測(cè)的年最大風(fēng)速來(lái)看，1977年以前、1985年以后風(fēng)速偏小，根據(jù)歷史沿革記錄和現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，這是由于氣象站更換儀器和觀測(cè)場(chǎng)隨著城市化發(fā)展周圍環(huán)境發(fā)生變化造成的。

為了使桂林氣象站年最大風(fēng)速序列具有可比性，根據(jù)其歷史沿革情況及相應(yīng)歷史平行觀測(cè)記錄，對(duì)桂林氣象站歷年最大風(fēng)速序列分別進(jìn)行高度訂正、儀器訂正和環(huán)境變化訂正，訂正后的歷年最大風(fēng)速序列見(jiàn)圖1。

利用桂林氣象站1971～2012年共計(jì)42年經(jīng)過(guò)一致性訂正后的10m高度10min平均年最大風(fēng)速序列，采用極值I型分布方法，對(duì)桂林氣象站的基本風(fēng)速概率進(jìn)行推算，得到桂林氣象站50年一遇最大風(fēng)速為20.3m/s。

2.2 測(cè)風(fēng)塔與氣象站相關(guān)檢驗(yàn)和比值推算

由于大風(fēng)和小風(fēng)狀況的相關(guān)關(guān)系明顯不同，而抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要關(guān)注大風(fēng)，因而，在滿足統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量的前提下，篩選測(cè)風(fēng)塔的大風(fēng)速樣本，并對(duì)測(cè)風(fēng)塔和桂林氣象站同期最大風(fēng)速樣本進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)和比值推算。

從測(cè)風(fēng)塔70m高度處最大風(fēng)速序列中選取日最大風(fēng)速≥10.8m/s（6級(jí)）的大風(fēng)樣本，與相同時(shí)段桂林氣象站的109個(gè)風(fēng)速樣本進(jìn)行相關(guān)分析，二者的相關(guān)系數(shù)為0.720，通過(guò)0.01的信度檢驗(yàn)，測(cè)風(fēng)塔與氣象站的大風(fēng)風(fēng)速樣本比值為1.536。測(cè)風(fēng)塔70m高度與桂林氣象站最大風(fēng)速相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖2。

表1 測(cè)風(fēng)塔70m高度與桂林氣象站最大風(fēng)速相關(guān)性檢驗(yàn)參數(shù)

2.3 測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)風(fēng)速的估算

利用測(cè)風(fēng)塔70m高度與氣象站同時(shí)期的觀測(cè)資料計(jì)算得到的比值（1.536），將桂林氣象站50年一遇最大風(fēng)速乘以該比值，從而得到測(cè)風(fēng)塔70m高度50年一遇最大風(fēng)速，為30.0m/s。

由于工程抗風(fēng)計(jì)算更關(guān)注大風(fēng)狀況時(shí)的特性，根據(jù)測(cè)風(fēng)塔各層大風(fēng)樣本的實(shí)測(cè)風(fēng)速值，選取測(cè)風(fēng)塔10高度一小時(shí)平均風(fēng)速≥10.8m/s的樣本資料，根據(jù)冪指數(shù)公式采用最小二乘法計(jì)算得到大風(fēng)狀況的風(fēng)切變指數(shù)為0.112。結(jié)合測(cè)風(fēng)塔70m設(shè)計(jì)風(fēng)速推算結(jié)果采用冪指數(shù)公式，從而推算出測(cè)風(fēng)塔距地10m～200m高度層50年一遇最大風(fēng)速，結(jié)果見(jiàn)表2。

2.4 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)選型推薦

風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址處70m高度空氣密度為1.034kg/m3，將上述推算的測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)風(fēng)速結(jié)果換算到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下各高度上的50年一遇最大風(fēng)速（見(jiàn)圖2）。根據(jù)IEC國(guó)際風(fēng)機(jī)分類標(biāo)準(zhǔn)[1]（表3），測(cè)風(fēng)塔80m高度（近似為輪轂高度）標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下50年一遇最大風(fēng)速為29.1m/s，小于37.5 m/s，故建議該風(fēng)電場(chǎng)采用Ⅲ類風(fēng)電機(jī)組。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）采用桂林氣象站1971～2012年歷年最大風(fēng)速序列，經(jīng)過(guò)一致性訂正后，利用規(guī)范推薦的極值I型分布方法，計(jì)算得到桂林氣象站10m高度50年一遇最大風(fēng)速分別為20.3m/s。（2）桂林氣象站與測(cè)風(fēng)塔70m高度處的最大風(fēng)速的比值為1.536，風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址處大風(fēng)狀況的風(fēng)切變指數(shù)為0.112，由此計(jì)算得到測(cè)風(fēng)塔不同高度50年一遇最大風(fēng)速，其中50m、70m、80m分別為30.0 m/s、31.2m/s和31.6 m/s。（3）該風(fēng)電場(chǎng)近似輪轂高度（80m）標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下50年一遇最大風(fēng)速為29.1m/s，根據(jù)IEC國(guó)際風(fēng)機(jī)分類標(biāo)準(zhǔn)，建議該風(fēng)電場(chǎng)采用Ⅲ類風(fēng)電機(jī)組。

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作者簡(jiǎn)介：何如（1983-），女，侗族，廣西柳州人，碩士研究生，從事氣象能源開發(fā)與氣候應(yīng)用服務(wù)研究。