文|許昌，吉曉紅，胡會永，張鵬

利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)的準確性分析

文|許昌，吉曉紅，胡會永，張鵬

目前，復雜條件下風電場發(fā)電量計算的準確性受到風能資源數(shù)據(jù)處理方法、地形地貌、場區(qū)風能資源建模方法等因素的影響，造成計算的準確性不高。特別是高海拔、高濕度、低溫等復雜環(huán)境的風電場，此類風電場在測風中遇到的最大問題是因冰凍、倒塔等因素導致風能資源數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，如若選處理風能數(shù)據(jù)的方法不恰當，將會使結果偏差過大，風能資源數(shù)據(jù)代表性差，將直接影響到發(fā)電量計算的準確性，故風能資源數(shù)據(jù)處理方法對于發(fā)電量計算的準確性尤為重要。

再分析數(shù)據(jù)作為一種可替代的長期數(shù)據(jù)已在歐洲風電發(fā)達國家得到了廣泛的應用，其可信度高，風速與風向數(shù)據(jù)都可以較好地反映實際風況的變化趨勢。為了提高復雜條件下風電場發(fā)電量計算的準確性，本文利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)。為了論證該處理方法的準確性，本文選擇具有典型性的四川省某風電項目進行分析論證。

場內(nèi)測風塔情況

某風電項目地處四川省涼山彝族自治州，場址區(qū)為兩條南北走向的山脊以及一山頂平臺，場址區(qū)長約20km，寬約1.5－3.0km，海拔在2.6－3.96 km，風電場屬于高海拔、高濕度、低溫山區(qū)風電場，總面積約15.2km2。

該風電場內(nèi)有兩座測風塔，其中：

測風塔1未安裝防凍設備、未進行設備維護，造成風能資源數(shù)據(jù)較大范圍缺測。

圖1 某風電場地形情況

圖2 兩塔完整月相關性分析及風向玫瑰圖

測風塔2為了驗證利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)的準確性，故在此項目中設置一座安裝有防凍設備的測風塔，風能資源數(shù)據(jù)完整率達到了91%。測風塔1和測風塔2距離約3km，海拔高度3.7 km左右，測風設備均垂直于主風向區(qū)（見圖1）。兩塔經(jīng)過整月數(shù)據(jù)相關檢驗（其中完整月1月、2月、3月、5月、8月、9月），相關性達到了0.92以上（見圖2），相關性較好，可用測風塔2的數(shù)據(jù)，來檢驗采用再分析數(shù)據(jù)插補測風塔1測風數(shù)據(jù)的準確性。其兩塔的位置關系見圖1。

測風塔3是采用Windigger模擬的測風塔，提取與測風塔1同層各風能資源數(shù)據(jù)，利用提取的再分析數(shù)據(jù)來處理測風塔1風能資源數(shù)據(jù)，測風塔3坐標和測風塔1采用同一坐標。三座測風塔的具體情況見表1。

表1 測風塔測風數(shù)據(jù)情況

表2 因冰凍造成數(shù)據(jù)缺測的典型數(shù)據(jù)

測風塔風能資源數(shù)據(jù)的合理性分析

一、冰凍數(shù)據(jù)的檢驗

判斷的原則：對照各時段氣溫、風速、風向結合其他高度的風速、風向綜合判斷。典型冰凍數(shù)據(jù)見表2。

處理方法：刪除風速及對應的風向數(shù)據(jù)，按缺測數(shù)據(jù)處理。

二、合理性檢驗

判斷原則：合理性檢驗參考《風電場風能資源評估辦法》（GB/T18710-2002）、《風電場測風數(shù)據(jù)的驗證和處理方法》，分析結果見表3。

處理方法：經(jīng)過合理性分析后，選取符合實際情況的有效數(shù)據(jù)，回歸到原始數(shù)據(jù)組。

上述檢驗完成后，對測風塔風能資源數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)的完整率進行了統(tǒng)計，見表5。

表3 合理性范圍統(tǒng)計成果

表4 不合理典型數(shù)據(jù)

表5 有效數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計成果

利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)

一、提取再分析數(shù)據(jù)

采用法國美迪WT公司的Windigger軟件提取再分析數(shù)據(jù)，該軟件在國內(nèi)外使用較為普遍，提取的再分析數(shù)據(jù)可信度較高。圖3是Windigger軟件操作界面。

圖3 Windigger軟件操作界面

二、缺測數(shù)據(jù)插補方法

根據(jù)《風電場風能資源評估方法》（GB/T18710-2002），選擇線性相關的最小二乘法，將測風塔實測數(shù)據(jù)與再分析數(shù)據(jù)分扇區(qū)求解方程及相關系數(shù)，再利用相關方程插補測風塔數(shù)據(jù)，求得一套完整的風能資源數(shù)據(jù)。

該法可處理一組數(shù)據(jù)，可以從一組測定的數(shù)據(jù)中尋求變量之間的依賴關系。對風能資源線性相關的分析，將參考站風速數(shù)據(jù)（此處為再分析數(shù)據(jù)）作為X， 代表測風塔的風速數(shù)據(jù)作為Y，則在X - Y 平面上，可以得到n 個點pi ( xi，yi) ( i ＝ 1， 2， . . .，n)，這種圖形稱為“散點圖”，這些點大致散落在某直線附近, 我們認為x與y 之間近似為一元線性函數(shù) y ＝ ax ＋ b， a、b求解公式如下 ：

一元線性函數(shù)y＝ax ＋ b和相關系數(shù)R的求解借助Excel即可實現(xiàn)，有兩種方法：

（1） 利 用SLOPE函 數(shù) 求 解 斜 率a（ 即k值 ），INTERCEPT函數(shù)求解截距b，CORREL函數(shù)求解R值；

（2）利用Excel插入散點圖求得一元線性函數(shù)和相關系數(shù)。

為了能更清晰地反映再分析數(shù)據(jù)與測風塔數(shù)據(jù)各扇區(qū)的相關性，采用方法（1）求取a（即k值）、b值及相關系數(shù)R。求得的值見表6。

三、準確性分析

為了驗證利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)準確性，采用兩種方法進行分析驗證：

1.項目設立了測風塔2，因測風塔2原始測風數(shù)據(jù)完整率91%，經(jīng)對不合理數(shù)據(jù)處理后的有效數(shù)據(jù)完整率達到98%，故采用測風塔2測風數(shù)據(jù)與利用再分析數(shù)據(jù)插補測風塔1測風數(shù)據(jù)進行對比，若兩者接近，即證明利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)準確性較高；

2.因測風塔2與測風塔1，地形、地貌、海拔等相似，且相關性高，故采用測風塔2對測風塔1進行分扇區(qū)插補同層風能資源數(shù)據(jù)，若插補完的風能資源數(shù)據(jù)與利用再分析數(shù)據(jù)插補測風塔1的數(shù)據(jù)相近，即證明利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)準確性較高。

經(jīng)分析驗證，驗證方法1所計算得到的風速差值為0.06m/s；驗證方法2所計算得到的風速差值為0.01m/s，兩種驗證方法計算得到的風速偏差值都較小，反映出利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)處理結果合理，準確性較高，滿足規(guī)范要求。（分析情況見表7）

表6 利用函數(shù)公式求得a（即k值）、b值及相關系數(shù)R

表7 風速數(shù)據(jù)準確性分析表

結語

在復雜環(huán)境下，若選擇處理風能數(shù)據(jù)的方法不恰當，將會使結果偏差過大，風能資源數(shù)據(jù)代表性差，將直接影響到發(fā)電量計算的準確性。本文結合四川省某風電場項目，介紹了利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)的方法，經(jīng)分析得出以下結論：

（1）將再分析數(shù)據(jù)與測風塔所測風能資源數(shù)據(jù)采用最小二乘法求得各扇區(qū)相關系系數(shù)R值基本大于0.7，兩種數(shù)據(jù)具有良好的相關性，從而說明采用再分析數(shù)據(jù)對測風數(shù)據(jù)進行插補是可行的。

（2）結合實際工程論證，利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)求得測風塔1完整測風數(shù)據(jù)與測風塔2完整的風速差值為0.06m/s；采用測風塔2對測風塔1進行分扇區(qū)插補同層風能資源數(shù)據(jù)與利用再分析數(shù)據(jù)插補測風數(shù)據(jù)求得測風塔1完整的風速差值為0.01m/s。兩者計算出的風速偏差值都較小，充分論證了該處理方法的合理性和準確性，從而為處理質(zhì)量較差的風能資源數(shù)據(jù)提供了新的思路和方法。

（作者單位：黃河勘測規(guī)劃設計有限公司）