劉志遠(yuǎn)，彭秀芳

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)淺析

劉志遠(yuǎn)，彭秀芳

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響風(fēng)能資源評(píng)估的結(jié)果，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)的布置、發(fā)電量的計(jì)算以及風(fēng)電場(chǎng)投產(chǎn)運(yùn)行后的經(jīng)濟(jì)效益，在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中具有重要的作用。針對(duì)于此，從數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)參數(shù)以及數(shù)據(jù)處理三方面對(duì)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)工程中測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和研究，為設(shè)計(jì)工作提供更多解決問(wèn)題的方法。

測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)類型；數(shù)據(jù)參數(shù)；數(shù)據(jù)處理

0 引 言

風(fēng)能相比其他形式的可再生能源，具有技術(shù)成熟、成本相對(duì)較低、對(duì)環(huán)境影響較小等優(yōu)勢(shì)[1]，風(fēng)能被用于發(fā)電首先要保證穩(wěn)定的風(fēng)能資源。風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量將直接影響風(fēng)能資源評(píng)估的結(jié)果，而風(fēng)資源評(píng)估又是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，是風(fēng)電場(chǎng)取得良好經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵[2]。當(dāng)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)存在較大誤差時(shí)，就會(huì)影響風(fēng)能資源評(píng)估的結(jié)果，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)的布置、發(fā)電量的計(jì)算以及風(fēng)電場(chǎng)投產(chǎn)運(yùn)行后的經(jīng)濟(jì)效益，因此對(duì)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)應(yīng)引起足夠的重視，對(duì)其研究也是非常有必要的。

本文將主要從數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)參數(shù)以及數(shù)據(jù)處理3方面對(duì)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)工程中測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和研究，為設(shè)計(jì)工作提供更多解決問(wèn)題的方法。

1 數(shù)據(jù)類型

目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)工程常見(jiàn)的測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)類型主要有NRG、NDF和WND3種，其文件后綴分別為.RWD、.NDF和.WND。

NRG數(shù)據(jù)的讀取軟件為美國(guó)NRG公司的Symphonie Data Retriever(簡(jiǎn)稱SDR)，NDF數(shù)據(jù)的讀取軟件為美國(guó)Secondwind公司的Nomad2 Desktop(簡(jiǎn)稱Nomad2)，WND數(shù)據(jù)直接利用記事本讀取。其中NRG數(shù)據(jù)通常存在數(shù)據(jù)密碼的問(wèn)題，應(yīng)在Edit中進(jìn)行設(shè)置。

2 數(shù)據(jù)參數(shù)

目前的測(cè)風(fēng)設(shè)備一般記錄數(shù)據(jù)的采樣間隔為2～3 s，記錄參數(shù)主要包括：時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、壓強(qiáng)等，可記錄10 min或1 h數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大值和最小值。

GB/T 18710—2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》中推薦了關(guān)于風(fēng)資源評(píng)估流程中各風(fēng)況參數(shù)常用的計(jì)算方法，本文對(duì)其中一些重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究。

2.1 平均風(fēng)速

為保證測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的原始規(guī)律性，通常讀取10 min平均風(fēng)速，全年共52 560個(gè)數(shù)據(jù)(按365 d計(jì)算)，進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)和處理，然后轉(zhuǎn)換成小時(shí)平均數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性檢驗(yàn)，而不是直接讀取小時(shí)平均數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)和合理性性檢驗(yàn)。這主要是由于測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)讀取軟件無(wú)法識(shí)別時(shí)間節(jié)點(diǎn)，而只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的算術(shù)平均，具體情況見(jiàn)表2。

表1 10 min原始數(shù)據(jù)(2015年1月1日)

注：CH1位通道1在10 min間隔內(nèi)的平均風(fēng)速；SD表示10 min間隔內(nèi)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差；Max和Min分別表示10 min間隔內(nèi)風(fēng)速的最大值和最小值。

表2 1 h原始數(shù)據(jù)(2015年1月1日)

通過(guò)對(duì)比表1、2可知，該數(shù)據(jù)在2015年1月1日 0∶20～0∶50是缺測(cè)的，即可認(rèn)為數(shù)據(jù)在0∶00之后1小時(shí)內(nèi)是缺測(cè)的。如果直接讀取小時(shí)平均數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，忽略缺測(cè)數(shù)據(jù)。

平均風(fēng)速除了是用來(lái)對(duì)風(fēng)功率密度、年變化、日變化、風(fēng)速和風(fēng)能頻率分布、以及年發(fā)電量的模擬計(jì)算等外，測(cè)風(fēng)塔的平均風(fēng)速分布還有另外一個(gè)重要作用，即在缺少參考?xì)庀笳鹃L(zhǎng)序列測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的情況下，推求風(fēng)電場(chǎng)的50年一遇最大風(fēng)速。

GB 18451.1—2001《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全要求》推薦的氣象站50年一遇最大風(fēng)速計(jì)算公式為

(1)

式中，V50-max為50年一遇最大風(fēng)速，m/s；μ為分布位置參數(shù)；α為相應(yīng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差。

當(dāng)受條件限制，無(wú)法獲得參考?xì)庀笳鹃L(zhǎng)序列測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)時(shí)，就無(wú)法根據(jù)式(1)進(jìn)行氣象站50年一遇最大風(fēng)速的計(jì)算，進(jìn)而不能根據(jù)測(cè)風(fēng)塔與氣象站同期數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速的計(jì)算。這種情況下，可利用WAsP軟件對(duì)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行Weibull分布分析，得到Weibull分布參數(shù)A(形狀參數(shù))和k(尺度參數(shù))[3- 4]，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)式(2)。

(2)

2.2 標(biāo)準(zhǔn)偏差

標(biāo)準(zhǔn)偏差主要用于計(jì)算測(cè)風(fēng)塔處的平均湍流強(qiáng)度以及15m/s風(fēng)速段的平均湍流強(qiáng)度來(lái)確定風(fēng)機(jī)的安全等級(jí)，若15m/s風(fēng)速段的數(shù)據(jù)較少，可適當(dāng)擴(kuò)大風(fēng)速區(qū)間范圍(比如12.5 m/s～15.5 m/s)。湍流強(qiáng)度的計(jì)算公式見(jiàn)式(3)。

(3)

另外，在利用Meteodyn WT軟件進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量模擬計(jì)算的過(guò)程中，利用時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)向、標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)制作時(shí)間序列/湍流校正正文件，否則為風(fēng)流氣象數(shù)據(jù)文件。

2.3 最大值

實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員往往忽視風(fēng)速最大值的使用。目前如果需要計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)50年一遇極大風(fēng)速的時(shí)候，通常采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.4來(lái)進(jìn)行計(jì)算。事實(shí)上還可采用IEC標(biāo)準(zhǔn)中推薦的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行極大風(fēng)速的計(jì)算。

(4)

根據(jù)10 min平均風(fēng)速大于等于15 m/s(或者10 m/s，依具體情況而定)的風(fēng)速序列和對(duì)應(yīng)時(shí)段10 min最大風(fēng)速序列進(jìn)行線性回歸，得到的回歸系數(shù)即為50年一遇極大風(fēng)速與最大風(fēng)速的回歸系數(shù)b。

2.4 風(fēng)向

測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)向在數(shù)據(jù)分析中遇到的問(wèn)題主要出現(xiàn)在由10 min平均風(fēng)向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為小時(shí)平均風(fēng)向的過(guò)程中。常見(jiàn)的10 min平均風(fēng)向轉(zhuǎn)換為小時(shí)平均風(fēng)向的計(jì)算方法主要有：直接算術(shù)平均法、首向代替法、單位矢量法、矢量平均法4種[5]。

直接算術(shù)平均法是指直接將一個(gè)小時(shí)內(nèi)的6個(gè)10 min平均風(fēng)向進(jìn)行算術(shù)平均作為小時(shí)平均風(fēng)向。首向代替法是指將該小時(shí)內(nèi)的第一個(gè)10 min平均風(fēng)向作為該小時(shí)的平均風(fēng)向。單位矢量法是指將各10 min平均風(fēng)向按單位長(zhǎng)度分別投影到X和Y軸，并分別X和Y軸上的投影進(jìn)行平均，最后進(jìn)行矢量求和作為小時(shí)平均風(fēng)向。矢量平均法是指在單位矢量法的基礎(chǔ)考慮風(fēng)速的影響，相當(dāng)于在每個(gè)風(fēng)向的基礎(chǔ)上考慮風(fēng)速權(quán)重，使平均風(fēng)向更偏重于對(duì)應(yīng)風(fēng)速較大的風(fēng)向，小時(shí)平均風(fēng)向的計(jì)算精度大大提高。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，注意矢量求和的風(fēng)向角度所處的象限，確定最終的小時(shí)平均風(fēng)向。

綜合比較4種求解小時(shí)平均風(fēng)向的方法，矢量平均法相對(duì)合理，誤差較小，工程實(shí)用性較高，并且在進(jìn)行矢量平均之前將一些明顯異?；虿缓侠淼娘L(fēng)向進(jìn)行剔出和替換，最終結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。

2.5 溫度和壓強(qiáng)

測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)中的溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)主要是用來(lái)估算風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址區(qū)域內(nèi)的空氣密度。GB/T 18710—2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》推薦的空氣密度的計(jì)算公式如下：

(5)

式中，ρ為風(fēng)電場(chǎng)空氣密度，kg/m3；P為年平均大氣壓，Pa；T為年平均氣溫的絕對(duì)溫度，K；R為氣體常數(shù)。

當(dāng)測(cè)風(fēng)塔由于設(shè)備自身故障或者惡劣天氣導(dǎo)致溫度和氣壓數(shù)據(jù)明顯異常時(shí)，可由參考?xì)庀笳镜目諝饷芏雀鶕?jù)海拔高度差推求測(cè)風(fēng)塔處的空氣密度，分別見(jiàn)式(6)～(7)。

(6)

式中，ρ0為氣象站空氣密度，kg/m3；P為多年平均大氣壓，Pa；t為多年平均溫度，℃；e為多年平均水汽壓，hPa。

ρ=ρ0·e

(7)

式中，z為風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔海拔高度，m；z0為氣象站海拔高度，m。

總之，風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)中每個(gè)實(shí)測(cè)要素在實(shí)際風(fēng)電工程風(fēng)資源評(píng)估中都有其特定的意義和作用，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該注重其應(yīng)用方法和技巧。

3 數(shù)據(jù)處理

測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響風(fēng)資源評(píng)估的結(jié)果，進(jìn)而影響風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的布置以及年發(fā)電量的計(jì)算。因此，在進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)風(fēng)資源模擬和發(fā)電量模擬之前需要對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)和訂正，整理出連續(xù)一整年反映風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)期平均水平的具有代表性數(shù)據(jù)。本文主要對(duì)數(shù)據(jù)處理中比較重要的3方面進(jìn)行分析。

3.1 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)包括完整性檢驗(yàn)和合理性檢驗(yàn)。合理性檢驗(yàn)包括范圍檢驗(yàn)、趨勢(shì)檢驗(yàn)和相關(guān)性檢驗(yàn)。

在進(jìn)行測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)時(shí)，通常對(duì)10 min數(shù)據(jù)進(jìn)行缺測(cè)統(tǒng)計(jì)，必須保證每間隔10 min均有數(shù)據(jù)記錄，若存在缺失數(shù)據(jù)，則認(rèn)為該小時(shí)為缺測(cè)。

在進(jìn)行測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)時(shí)，針對(duì)的是小時(shí)平均數(shù)據(jù)，具體參數(shù)范圍見(jiàn)GBT 18709—2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量方法》。合理性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)完畢后需要對(duì)不合理數(shù)據(jù)再次進(jìn)行判別，挑出符合實(shí)際情況的有效數(shù)據(jù)，回歸原數(shù)據(jù)，明顯異常的進(jìn)行插補(bǔ)替換。

通常情況下，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)風(fēng)速數(shù)據(jù)為0.4 m/s即認(rèn)定為無(wú)效數(shù)據(jù)。另外還需要關(guān)注一下相鄰高度之間的風(fēng)速差值，因?yàn)樵谶M(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)時(shí)，針對(duì)的是相鄰高度間的小時(shí)風(fēng)速差值的絕對(duì)值，無(wú)法判定風(fēng)速隨高度的變化趨勢(shì)，如較高高度處風(fēng)速是否大于較低高度處風(fēng)速。若出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)速與高度成反比的情況，則可能是測(cè)風(fēng)儀器出現(xiàn)故障，該時(shí)段風(fēng)速也視為無(wú)效。

3.2 數(shù)據(jù)插補(bǔ)替換

在對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)不合理或無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)替換時(shí)，通常遵循的原則為：

(1)對(duì)于長(zhǎng)時(shí)段缺測(cè)和無(wú)效數(shù)據(jù)，根據(jù)相鄰高度間的風(fēng)切變或相關(guān)關(guān)系進(jìn)行插補(bǔ)替換；其他時(shí)段零星缺測(cè)和無(wú)效數(shù)據(jù)，采用相同高度相鄰?fù)瑫r(shí)段數(shù)據(jù)直接進(jìn)行插補(bǔ)替換。

(2)風(fēng)向明顯異?；蛉睖y(cè)的，采用同塔相鄰高度風(fēng)向直接替換；若某時(shí)段該塔各層風(fēng)向均無(wú)效或缺測(cè)，則采用鄰塔相同高度風(fēng)向直接替代。

(3)對(duì)于在測(cè)風(fēng)塔同一個(gè)高度呈90°安裝兩個(gè)測(cè)風(fēng)儀的情況，通常選取同時(shí)段風(fēng)速較大值，這主要是考慮塔影效應(yīng)的影響。

總之，插補(bǔ)替換數(shù)據(jù)盡量遵循“先同塔后異塔、先同高(度)后異高(度)”的原則。

3.3 代表年訂正

根據(jù)GB/T 18710—2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》的要求，需要將測(cè)風(fēng)塔測(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)，推薦的為分方向扇區(qū)相關(guān)分析法，其訂正路線見(jiàn)圖3。

首先，根據(jù)氣象站測(cè)風(fēng)年平均風(fēng)速與多年平均風(fēng)速的關(guān)系，判斷測(cè)風(fēng)年是否為平風(fēng)年。如果是平風(fēng)年，則測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行代表年訂正，否則需要進(jìn)行代表年訂正[6]。然后，進(jìn)行測(cè)風(fēng)年測(cè)風(fēng)塔和氣象站16各風(fēng)向的風(fēng)速相關(guān)，代入氣象站測(cè)風(fēng)年與多年平均風(fēng)速的代數(shù)差，得到測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)年與多年平均風(fēng)速的代數(shù)差。最后，測(cè)風(fēng)塔各個(gè)風(fēng)向扇區(qū)內(nèi)的每個(gè)風(fēng)速加上對(duì)應(yīng)的風(fēng)速代數(shù)差，即可獲得訂正后的風(fēng)場(chǎng)測(cè)站風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。

在計(jì)算測(cè)風(fēng)塔16個(gè)風(fēng)向扇區(qū)測(cè)風(fēng)年與多年平均風(fēng)速的代數(shù)差時(shí)，如果某個(gè)風(fēng)向扇區(qū)測(cè)風(fēng)塔與氣象站相關(guān)性較差(通常認(rèn)為相關(guān)系數(shù)低于0.8)，則該風(fēng)向的相關(guān)方程斜率系數(shù)取其他各風(fēng)向相關(guān)方程(相關(guān)系數(shù)高于0.8)斜率系數(shù)的平均值，然后再計(jì)算測(cè)風(fēng)塔在該風(fēng)向上的代數(shù)差。

圖3 相關(guān)分析法路線示意

除此之外，文獻(xiàn)[7]還探討了其他代表年數(shù)據(jù)訂正的方法，比如直接代入法，即根據(jù)長(zhǎng)期站確定平風(fēng)代表年，將長(zhǎng)期站代表年逐時(shí)風(fēng)速分布風(fēng)向直接帶入相應(yīng)的相關(guān)方程，推求風(fēng)場(chǎng)的代表年數(shù)據(jù)。

不同的訂正方法取得效果也有所不同，實(shí)際工程中可以積極進(jìn)行方案的對(duì)比，依具體情況而定，選出最優(yōu)的方法。

4 結(jié) 論

本文主要從數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)參數(shù)以及數(shù)據(jù)處理3方面對(duì)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)工程設(shè)計(jì)中關(guān)于測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和研究，總結(jié)和提出了一些重要的實(shí)用工程經(jīng)驗(yàn)，比如時(shí)平均風(fēng)向求法、50年一遇最大風(fēng)速、空氣密度、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)、代表年訂正等，為設(shè)計(jì)工作者提供了更多解決問(wèn)題的方法，快速準(zhǔn)確地對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證、處理以及相關(guān)風(fēng)況參數(shù)的計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確合理的風(fēng)能資源評(píng)估打下良好的基礎(chǔ)，具有一定的參考價(jià)值和非常強(qiáng)的工程實(shí)用性。

[1]張華， 劉志遠(yuǎn). 風(fēng)力機(jī)沿主導(dǎo)風(fēng)向單列優(yōu)化布置的研究[J]. 可再生能源， 2013， 39(9)： 52- 57．

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[7]潘曉春. 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正方法的比較研究[J]. 電工文摘， 2009(3)： 65- 70．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Analyses on Wind Measuring Data of Meteorological Observation Tower

LIU Zhiyuan, PENG Xiufang

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

The quality of wind measuring data from meteorological observation tower has a directly influence on the results of wind resource assessment, thereby the placement of wind turbines, the calculation of energy output and the economic benefit of wind farm will be influenced. Some key problems about wind actual measuring data are analyzed from three aspects of data type, data parameter and data processing, which provide more efficient solutions for engineering designers．

wind measuring data; data type; data parameter; data processing

2015- 05- 11

劉志遠(yuǎn)(1989—)，男，河北張家口人，工程師，碩士，主要從事風(fēng)電設(shè)計(jì)工作．

TK83

A

0559- 9342(2015)11- 0110- 04