文 | 李何平

受臺風影響的內(nèi)陸山區(qū)風能資源利用分析

文 | 李何平

我國擁有較長的海岸線，且沿海地區(qū)風能資源儲量可觀。隨著風能利用開發(fā)的不斷深入和發(fā)展，我國沿海地區(qū)風電開發(fā)區(qū)域已經(jīng)逐漸向內(nèi)陸延伸，其中廣東、廣西、福建及浙江等省份的沿海內(nèi)陸山區(qū)已建有大量的風電項目。

需要注意的是，當臺風從大海向陸地移動時，能量需要一定的時間才可以逐步消失。因此，沿海各省區(qū)的內(nèi)陸山區(qū)仍會受到臺風的影響，而風電場位于臺風路徑上時，其受到的影響將更大。根據(jù)臺風強度的不同，內(nèi)陸地區(qū)受影響的程度各異，臺風影響最遠的地區(qū)可能距離海岸線能達到300km左右。

本文以位于廣東、廣西及浙江3座內(nèi)陸山區(qū)的測風塔為典型對象進行分析，對這些受臺風影響區(qū)域的風能資源開發(fā)作相應探討，3座測風塔分別位于廣東省茂名市、廣西省賀州市和浙江省金華市，依次記為1#、2#和3#測風塔；測風高度分別為40m、70m和80m，海拔高程分別為850m、970m和950m，距離岸線距離分別為80km、250km和100km。1#塔數(shù)據(jù)采集時段為2009年1月1日至2009年12月31日，2#塔數(shù)據(jù)采集時段為2015年1月1日至2016年8月9日，3#塔數(shù)據(jù)采集時段為2012年8月26日至2013年8月12日。

臺風影響時段的判別

根據(jù)宋麗莉等人的研究，臺風強風數(shù)據(jù)的代表性判別的基本指標是同時滿足8級以上風速的風向連續(xù)轉換120°以上方位角度。若風速達到了8級以上，風速的風向連續(xù)轉換120°以上，則可以認為該段時間為臺風經(jīng)過。另根據(jù)相關資料，臺風過后風速會有一定程度的突降。參照以上研究結論，對廣東（1#）、廣西（2#）及浙江（3#）三座測風塔的數(shù)據(jù)進行分析，可以得出以下結論：1#測風塔在2009年9月14日至2009年9月16日期間受到了臺風的影響；2#測風塔在2016年8月1日至2016年8月3日期間受到了臺風的影響；3#測風塔在2013年7月12日至2013年7月14日期間受到了臺風的影響。臺風時段風速及風向的變化情況參

見圖1。

同時經(jīng)過查詢歷史臺風數(shù)據(jù)可知，廣東省在2009年9月13日至2009年9月16日期間受到了臺風“巨爵”的影響，廣西省在2016年8月1日至2016年8月3日期間受到了臺風“妮妲”的影響，浙江省在2013年7月12日至2013年7月14日期間受到了臺風“蘇力”外圍的影響。

本文擬以上述關于臺風影響的風況判斷指標，擇取相關時段，并進行相關分析。

內(nèi)陸臺風影響區(qū)域的風能資源特點分析

一、平均風速

由于受到地表摩擦衰減的影響，具備較高風速水平的海洋氣流在進入內(nèi)陸地區(qū)后，風能資源水平會較大程度的降低，加之沿海內(nèi)陸多為山區(qū)地形，影響風速的地形因素加重，使得一些地區(qū)的風能資源更為復雜。因此，這些沿海省份內(nèi)陸山區(qū)的風能資源情況往往并不是很好，大部分地區(qū)的平均風速僅在5.5m/s－6.5m/s左右。

經(jīng)過統(tǒng)計，得到1#測風塔40m高度全時段的風速為6.4m/s，2#測風塔70m高度全時段的風速為6.6m/s，3#測風塔80m高度全時段的風速為6.1m/s。將臺風期間數(shù)據(jù)從整個統(tǒng)計周期中刪除之后，上述平均風速無任何變化，臺風只會影響到臺風月份的月平均風速，而對全年的平均風速幾乎沒有影響。此類區(qū)域風能資源的優(yōu)劣與臺風的影響無關。

二、50年一遇最大風速

采用GUMBEL分布分別計算兩座測風塔50年一遇最大風速，得到1#測風塔40m高度50年一遇最大風速為45m/s，2#測風塔70m高度50年一遇最大風速為40m/s ，3#測風塔80m高度50年一遇最大風速為31m/s。根據(jù)IEC標準可知，1#測風塔處50年一遇最大風速屬于IEC I類，2#測風塔處為IEC II類，3#測風塔處為IEC III類。

目前大部分風電項目的五十年一遇最大風速(Vref)與平均風速(Vave)呈近似5倍的比率關系，這一點在第三版的IEC標準中（IEC 61400-2 ed3）敘述為：“In the standard wind turbine classes, Vave shall be chosen as：Vave=0.2 Vref”。但針對上述三座測風塔而言，1#測風塔最大風速與平均風速的比率為7.03，2#測風塔為6.06，3#測風塔為5.08。除3#測風塔外，其余兩座測風塔均大大超出了IEC規(guī)范中的5倍值，這也是受臺風影響地區(qū)的一個特點。因此，針對受臺風影響的內(nèi)陸山區(qū)，盡管可能距離海岸線已經(jīng)非常遠，但仍需仔細復核50年一遇最大風速值。

三、湍流強度

針對三座測風塔在臺風影響時段和全時段的湍流強度進

行統(tǒng)計，如圖2所示，圖中綠色線為全時段的湍流強度，黃色線為臺風影響時段的湍流強度。從圖2可以看出，針對所有時間段的湍流強度進行統(tǒng)計，三座測風塔的湍流強度均在IEC A類以下；而針對臺風時段的湍流強度進行統(tǒng)計，三座測風塔的湍流強度顯著增大，均高于在所有時段下的統(tǒng)計值。

在對風電機組的安全性進行校核時，若只采用全時間段的湍流強度進行計算，則會得出偏樂觀的結論。臺風期間風電機組受力可能會嚴重超過其設計荷載，因此對風電機組載荷計算時，也應充分考慮臺風影響期間的湍流強度。

四、風切變指數(shù)

對三座測風塔在臺風影響時段的風切變指數(shù)進行統(tǒng)計，參見圖3。

從風向與風切變指數(shù)的關系可以看出，當臺風期間風向發(fā)生大幅變化時，所對應的風切變指數(shù)會突然上升，如圖中圓圈所示。這種風切變指數(shù)的突然增大，同時伴隨著風向的突然改變，將使得風電機組受力情況突然改變，必然對機組的載荷產(chǎn)生較大的影響。

五、氣壓及空氣密度

從臺風的特性可知，臺風中心的氣壓比它四周的氣壓要低。圖4為1#、2#、3#測風塔記錄的臺風期間平均風速與氣壓的變化關系圖（上為氣壓、下為風速），從數(shù)據(jù)上可以看出，當風速達到最大值時氣壓降到最低。

表1 1#、2#、3#測風塔在全年及臺風期間空氣密度對比值

隨著氣壓的降低，測風塔處的空氣密度將會有所降低。三座測風塔處在臺風期間、臺風所處月份及全年的空氣密度，如表1所示。從表1中可以看出，臺風當月及臺風時段的空氣密度均要低于全年的空氣密度。因此在計算標準空氣密度下的50年一遇最大風速時，若采用全年的空氣密度，計算結果將偏大。

內(nèi)陸受臺風影響區(qū)域技術措施建議

從上述分析可以看出，在內(nèi)陸受臺風影響區(qū)域，盡管風能資源水平可能較為一般，平均風速并不是很高，但50年一遇最大風速、湍流強度、風切變指數(shù)等指標卻顯示出這些區(qū)域受臺風的影響仍然很大，因此在對這些區(qū)域進行風能資源評估、微觀選址及風電機組選型的時候，需要引起特別的重視。以下就針對這些區(qū)域的風能資源相關問題作相關探討。

一、前期測風

針對內(nèi)陸受臺風影響區(qū)域的項目，如廣東、廣西、福建、浙江、江蘇及江西、安徽、湖南南部等地區(qū)，從項目最前期豎立測風塔階段就應引起高度重視。

區(qū)別于普通山區(qū)風電場的是，此類地區(qū)項目的資源監(jiān)測還應考慮測風裝置在臺風過境時期的可靠性，以便搜集到完整的臺風時期的數(shù)據(jù)，進而準確評估風電機組的安全等級。與傳統(tǒng)臺風影響區(qū)域不同的是，內(nèi)陸受臺風影響山區(qū)可能存在凝凍的現(xiàn)象，因此在這類場區(qū)還需要選用抗凝凍的測風設備。

目前風速風向儀總體上可分為機械式和聲波式，聲波式測風儀不存在機械磨損、阻塞、冰凍等問題，同時也可測得任意方向上的風速分量。為了保障測風安全可靠，建議在輪轂高度安裝兩套以上的測量設備，超聲波測風裝置和機械式測風儀各一套，以減小設備損壞而未記錄到臺風數(shù)據(jù)的風險，同時能更為精確的測量湍流強度、入流角等風能資源參數(shù)。

二、中期資源評估

（一）原始數(shù)據(jù)處理及臺風識別

在取得一定時段的測風數(shù)據(jù)并對項目的資源進行評估時，應對測風數(shù)據(jù)進行仔細篩查，由于受到惡劣臺風天氣的影響，測風原始數(shù)據(jù)極易出現(xiàn)問題，應對可疑時段的逐10分鐘風速風向最小值、最大值及方差進行仔細甄別，以得到有效的測風數(shù)據(jù)。在篩選得到有效的測風數(shù)據(jù)后，可采用本文前節(jié)中提到的關于臺風時段的識別辦法，初步判斷本項目場區(qū)受臺風的影響程度。

（二）風電機組選型

在風電項目的前期階段，對風電機組的技術選型主要集中于平均風速、湍流強度及50年一遇最大風速等指標。由于內(nèi)陸受臺風影響區(qū)域的平均風速不是很高，因此風電機組選型的焦點就集中在湍流強度和50年一遇最大風速上。

臺風區(qū)域50年一遇最大風速的評估一直是一個難題，建議采用多種方法對該參數(shù)進行計算。在受臺風影響的區(qū)域，應盡可能多收集周邊氣象站記錄到的臺風信息，根據(jù)氣象站多年臺風資料計算50年一遇最大風速，并根據(jù)相關關系推算至風電場；同時應盡可能的增加測風塔的觀測時間，利用較長的測風時間序列建立Gumbel模型，以計算50年一遇最大風速，并與氣象站計算所得結論進行對比。最終建議取相對保守值來進行風電場各個機位50年一遇最大風速的推算。同時也可搜集臨近已經(jīng)建成項目的相關信息，以降低項目風險。

根據(jù)臺風區(qū)域風電項目的運行經(jīng)驗，極風其實并不是使風電機組損壞的主因，而臺風期間的高湍流強度才是引起風電機組損壞的致命因素。風電機組廠家在進行風電機組載荷的計算時，除了考慮全年平均的湍流強度外，也應重點關注臺風時期的湍流強度，以便選擇更為可靠的風電機組或針對某些部件進行結構方面的加強設計。與傳統(tǒng)沿海平坦風電項目不同的是，內(nèi)陸山區(qū)風電場的湍流強度還會很大程度上受到地形的影響。根據(jù)IEC 61400-2 ed3可知，在復雜地形對風電機組進行載荷分析時，全風速段的湍流強度還應乘以1.15倍的放大系數(shù)。

（三）風電場發(fā)電量的計算

復雜山區(qū)風電項目的資源評估和發(fā)電量的計算是一個復雜的課題，目前常用的適用于復雜地形的軟件有Meteodyn WT、Windsim等，但沒有任何一個模型能夠得到十分準確的結論。因此，對于此類地區(qū)的發(fā)電量計算，建議采用多種軟件進行模擬，同時通過多個測風塔互相推算的方式來驗證模型的可靠性。

在項目的前期評估階段，針對受臺風影響的風電場發(fā)電量計算時應相對保守。盡管臺風到來之前和臺風過后的風速可以用來發(fā)電，但這些時段的湍流強度大，風向多變，風切變也較大，使風電機組的安全存在很大的隱患，因此這些時段是否可以實現(xiàn)發(fā)電更多，取決于風電機組的控制策略以及風電場的管理水平。在前期資源評估中計算發(fā)電量時，建

議將整個臺風影響時段的發(fā)電量按零來考慮，以降低項目評估的風險。

三、后期運營維護

臺風的結構復雜，目前國內(nèi)外對臺風的研究還無法滿足風電項目的要求，還沒有任何軟件能夠對臺風的過程進行模擬分析。對于已建成的風電場而言，唯有加強風險識別，通過管理和技術的手段來預防臺風風險。

臺風期間往往伴隨很多極端的氣候現(xiàn)象，如暴雨、洪水等，受其影響電網(wǎng)往往首先斷電，進而使風電機組斷電失去抗風險能力。因此，在風電場應配置備用柴油發(fā)電機，以便在電網(wǎng)斷電時風電機組能夠主動偏航，正面迎風順槳。

風電場也應同氣象部門通力合作，跟蹤臺風的移動路徑，提前做好防范策略，最大限度地減少臺風對風電場的破壞；同時也應與風電機組廠家緊密配合，在風險可控的前提下，充分利用臺風過境前后的有利時段，提高發(fā)電效益。

結語

本文以廣東、廣西及浙江三座測風塔為參考，分析了臺風期間的相關風參數(shù)后得出：沿海內(nèi)陸山區(qū)風能資源受臺風影響，可能存在著“平均風速不大，但在特定時段上最大風速、湍流強度、風切變指數(shù)等風況指標奇高”的特點，部分項目盡管已經(jīng)遠離海岸線200km以上，但所受臺風影響仍然不容忽視。

對于此類風電項目，可以看作沿海臺風項目與山區(qū)復雜地形項目的結合。兩者的結合增大了風能資源評估的難度，尤其是針對風電機組安全性評估的難度。除對整個測風時段進行分析外，還應單獨評估臺風影響時段的相關技術參數(shù)，以降低項目風險。

（作者單位：中國水電建設集團新能源開發(fā)有限責任公司）