文 | 胡己坤，王海華，李慶慶，袁紅亮，劉瑋

（作者單位：中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司）

為適應(yīng)不同地區(qū)風(fēng)能資源特點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組廠家通常會(huì)為一款風(fēng)電機(jī)組配置多種不同輪轂高度的塔架，目前國內(nèi)風(fēng)電開發(fā)普遍向低風(fēng)速區(qū)發(fā)展，高塔架的使用不僅成為提高風(fēng)電場發(fā)電量的有效手段，甚至可能決定著項(xiàng)目能否最終上馬，近年來鋼-混凝土混合塔架及柔性塔架技術(shù)發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)可利用輪轂高度明顯上升，低風(fēng)速區(qū)域測風(fēng)塔高度率先向120～150m發(fā)展，但仍有大量早期設(shè)立的70m、80m高度測風(fēng)塔用于風(fēng)電場設(shè)計(jì)，這就對(duì)風(fēng)切變指數(shù)的擬合及使用提出了更高的要求。本文通過案例分析論證了現(xiàn)有風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算方法的局限性，提出6～11m/s風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)對(duì)發(fā)電量估算結(jié)果影響最大，在評(píng)估時(shí)應(yīng)重點(diǎn)予以考慮。

數(shù)據(jù)來源

甘肅酒泉東部某地120m高測風(fēng)塔（下文簡稱1#測風(fēng)塔）完整一年有效測風(fēng)數(shù)據(jù)。測風(fēng)塔所在地區(qū)為戈壁灘，周邊地形平坦開闊。

風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算

1#測風(fēng)塔塔高120m，分別在120m、110m、100m、90m、80m、70m、50m、30m和10m高度各安裝有一套風(fēng)速計(jì)，經(jīng)檢驗(yàn)處理后統(tǒng)計(jì)得到該測風(fēng)塔各高度完整一年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)見表1。

按照指數(shù)公式計(jì)算1#測風(fēng)塔不同高度之間風(fēng)切變指數(shù)，計(jì)算公式為：

式中，α為風(fēng)切變指數(shù)，Va、Vb分別為高度為Za、Zb處的平均風(fēng)速。

1#測風(fēng)塔各高度之間風(fēng)切變指數(shù)擬合結(jié)果見表2。

從表2可以看出，1#測風(fēng)塔高層風(fēng)切變指數(shù)整體較大，其中90m和120m之間的風(fēng)切變指數(shù)達(dá)0.145。此外若根據(jù)各時(shí)段風(fēng)切變指數(shù)求平均值的方法得到風(fēng)切變指數(shù)為0.151，根據(jù)大于3m/s風(fēng)速的各時(shí)段風(fēng)切變指數(shù)求平均值的方法得到風(fēng)切變指數(shù)為0.139，采用風(fēng)廓線指數(shù)擬合的方法得到風(fēng)切變指數(shù)為0.146，三種方法計(jì)算得到的風(fēng)切變指數(shù)均較大。

由于測風(fēng)塔風(fēng)切變較大，120m高塔架的經(jīng)濟(jì)性可能優(yōu)于90m高塔架。本文以單機(jī)容量2500kW的某款風(fēng)電機(jī)組為例，在測風(fēng)塔周邊按照梅花形布置25臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電量估算比較，其中方案一為90m高鋼制塔架，采用1#測風(fēng)塔90m高度實(shí)測風(fēng)速資料進(jìn)行計(jì)算，方案二和方案三均為120m高預(yù)應(yīng)力混凝土-鋼混合塔架，方案二采用1#測風(fēng)塔120m高度實(shí)測風(fēng)速資料進(jìn)行計(jì)算，方案三采用90m高度實(shí)測資料通過風(fēng)切變指數(shù)推算得到的120m風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算（風(fēng)切變指數(shù)以工程設(shè)計(jì)中最為常用的指數(shù)擬合方法為例計(jì)算得到，取0.146），理論發(fā)電量估算結(jié)果見表3。

表1 1#測風(fēng)塔各高度完整一年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表

表2 1#測風(fēng)塔各高度之間風(fēng)切變指數(shù)擬合結(jié)果表

從表3可以看出，與方案一相比，方案二與方案三理論發(fā)電量分別提升了4.53%和5.17%，方案三增幅更大，說明通過0.146的風(fēng)切變指數(shù)推算出的120m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)較實(shí)測值偏大。

不同風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)差異及影響

現(xiàn)有風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算方法的計(jì)算思路均為通過測風(fēng)塔全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)，得出一個(gè)單一風(fēng)切變指數(shù)值以擬合真實(shí)的風(fēng)廓線特征。從算例中可以看出，這種單一的風(fēng)切變指數(shù)值實(shí)際上并不能全面反映風(fēng)廓線特征，因此出現(xiàn)了輪轂高度比選方案三中估算得到的發(fā)電量偏高的問題。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，1#測風(fēng)塔盡管在90m高度以上的整體風(fēng)切變指數(shù)達(dá)0.146，但不同風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)差異較大，1#測風(fēng)塔90～120m高度不同風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)變化曲線見圖1。

由圖1可以看出：

（1）1～4m/s風(fēng)速段是風(fēng)切變指數(shù)的最大值區(qū)，為0.232～0.438，但由于此時(shí)風(fēng)電機(jī)組處于未切入或剛剛啟動(dòng)狀態(tài)，對(duì)發(fā)電量增加幾乎沒有貢獻(xiàn)；

（2）20～28m/s風(fēng)速段是風(fēng)切變指數(shù)的次大值區(qū)，為0.150～0.222，但由于此時(shí)風(fēng)電機(jī)組處于滿發(fā)或切出狀態(tài)，對(duì)發(fā)電量增加亦沒有貢獻(xiàn)；

（3）11～20m/s風(fēng)速段是風(fēng)切變指數(shù)的較大值區(qū)，為0.128～0.154，但由于此時(shí)風(fēng)電機(jī)組處于滿發(fā)狀態(tài)，對(duì)發(fā)電量增加同樣沒有貢獻(xiàn)；

（4）4～11m/s風(fēng)速段風(fēng)電機(jī)組出力隨風(fēng)速增大不斷增加且尚未達(dá)到額定功率，是風(fēng)切變引起發(fā)電量增加的有效區(qū)域，其中4～6m/s風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)較大，為0.156～0.158，但風(fēng)能僅占4～11m/s風(fēng)速段總風(fēng)能的7.7%，且此時(shí)風(fēng)電機(jī)組剛剛切入，出力較小，對(duì)發(fā)電量增加貢獻(xiàn)不大；6～11m/s風(fēng)速段風(fēng)能占4～11m/s風(fēng)速段總風(fēng)能的92.3%，風(fēng)電機(jī)組出力快速增加，對(duì)發(fā)電量增加貢獻(xiàn)最大，但風(fēng)切變指數(shù)較小，僅0.124～0.143，這是造成采用風(fēng)切變指數(shù)推算高層風(fēng)速時(shí)導(dǎo)致發(fā)電量被高估的主因。

表3 各方案理論發(fā)電量估算結(jié)果表

圖1 1#測風(fēng)塔90～120m高度不同風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)變化曲線

考慮到不同風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)存在差異且對(duì)發(fā)電量估算的影響亦不相同，采用分風(fēng)速段擬合風(fēng)切變指數(shù)很可能有助于降低發(fā)電量估算誤差。采用指數(shù)擬合方法，按照1m/s為一個(gè)風(fēng)速區(qū)間分別估算各段風(fēng)切變指數(shù)，據(jù)此通過90m高度實(shí)測資料推算120m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)并進(jìn)行發(fā)電量估算，得到算例中120m高度的理論發(fā)電量為19678.8萬千瓦時(shí)，與90m高度相比發(fā)電量增加比例為4.75%，與方案三相比理論發(fā)電量估算誤差減小了79.1萬千瓦時(shí)。

結(jié)論

目前常用的風(fēng)切變指數(shù)均是通過全部或部分測風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的一個(gè)綜合性數(shù)據(jù)，以此指導(dǎo)風(fēng)電機(jī)組輪轂高度比選具有一定的局限性。實(shí)際上，風(fēng)切變指數(shù)在不同風(fēng)速段的大小是不同的，各風(fēng)速段風(fēng)切變指數(shù)對(duì)發(fā)電量的影響程度也不相同，其中6～11m/s風(fēng)速段的風(fēng)切變指數(shù)影響程度最大，在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組輪轂高度比選中若用于發(fā)電量估算的風(fēng)速數(shù)據(jù)是由風(fēng)切變指數(shù)推算獲得，則應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注6～11m/s風(fēng)速段的風(fēng)切變指數(shù)。