劉韶平，張銘，朱瀅

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430012）

0 引言

氣候變化是當今世界普遍關(guān)注的重大問題，關(guān)系著人類的生存與發(fā)展。為積極應對氣候變化，中國政府提出了到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值溫室氣體排放比2005年下降40%～45%的行動目標。這一目標為我國大力發(fā)展清潔能源，優(yōu)化能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)提出了明確的任務，也為我國加快風能、太陽能等新能源的開發(fā)和利用提出了新的要求[1]?！犊稍偕茉窗l(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，到2020年底，全國風電并網(wǎng)裝機確保達到2.1億千瓦以上。在風電行業(yè)快速發(fā)展的新時代下，將氣象數(shù)據(jù)應用于風資源的評估，可提高風資源評估的精確度，降低風電開發(fā)風險[2]。

1 氣象數(shù)據(jù)和測風數(shù)據(jù)獲取

依據(jù)《風電場風能資源評估方法》（GB/T18710-2002），應收集風電場氣象站的長期測站數(shù)據(jù)，獲取風電場的實測時間序列數(shù)據(jù)。以華潤沙洋馬良二期風電場為例，基礎(chǔ)資料如下：

（1）風電場內(nèi)測風塔逐十分鐘風速、風向數(shù)據(jù)；

（2）沙洋氣象站1958-2017年多年平均風速、多年平均雷暴日數(shù)、年盛行風向頻率，歷年最大風速以及多年平均氣壓、水汽壓和氣溫；

（3）風電場場址區(qū)域1:10000和場區(qū)外延數(shù)字化地形圖。

2 氣象數(shù)據(jù)和測風資料分析

2.1 氣象站氣象數(shù)據(jù)分析

2.1.1 氣象站相關(guān)情況介紹

距離本風電場場區(qū)較近的氣象站為沙洋氣象站，位于場區(qū)南部。沙洋氣象站為國家基本氣象站，始建于1957年2月，建站時位于沙洋縣西部，觀測場現(xiàn)位于 N30°41′，E112°33′，拔海高度 47 m。該站建站至今未遷過站，沙洋氣象站2008年由人工觀測改為自動觀測。

2.1.2 氣象站常規(guī)氣象要素分析

沙洋縣境內(nèi)處于中緯度地區(qū)，屬北亞熱帶濕潤大陸季風氣候，具有四季分明、光能充裕、熱量豐富、雨量適中、雨熱同季的特點[3]。沙洋氣象站與風電場相對位置關(guān)系見圖1。根據(jù)沙洋氣象站1958-2017年實測氣象資料[4]，各氣象要素統(tǒng)計如表1。

表1 沙洋氣象站氣象要素統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of meteorological elements of Sha-yang meteorological station

表2 沙洋氣象站歷年年平均風速統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of average annual wind speed of Shayang meteorological station

2.1.3 氣象站多年風況資料分析

（1）年際風況特征分析

沙洋氣象站1988-2017年的歷年的年平均風速統(tǒng)計見表2。

圖1 沙洋氣象站與風電場相對位置關(guān)系示意圖Fig.1 A schematic diagram of the relative position between Sha-yang meteorological station and wind power plant

由表2可知，1988年至2008年平均風速年均風速變化較平穩(wěn)，2007年后年均風速呈明顯增加趨勢，原因是因為沙洋氣象站2008年由人工觀測改為自動觀測。改為自動觀測后，沙洋氣象站2008-2017年共計10年的年平均風速為3.74 m/s，測風代表年（2016年11月1日至2017年10月31日）的年平均風速為3.72 m/s。

（2）年內(nèi)風況特征分析

沙洋氣象站改為自動觀測后，2008-2017年共計10年和測風年月平均風速統(tǒng)計結(jié)果見表3。

由表3可知，沙洋氣象站近10年和測風年各月平均風速變化趨勢一致，從季節(jié)分布來看，均以春冬季風速較大，夏秋季風速較小。

（3）風向頻率

沙洋氣象站的風向頻率分布情況見表4，可得出沙洋氣象站的主導風向為N向。

2.2 風電場測風數(shù)據(jù)分析

2.2.1 測風塔概況

風電場8381#、8712#測風塔分布于場區(qū)東側(cè)，風電場8722#測風塔分布于場區(qū)中部，0875#和0876#測風塔分布于場區(qū)南部。測風塔觀測內(nèi)容有風速、風向、氣壓及溫度等[5]。通過WT軟件計算出的各機位點平均風速與測風塔位置平均風速較為接近，測風塔位置的風加速因素、湍流強度、水平偏差和入流角基本滿足規(guī)范要求，測風塔周圍比較開闊，無大型遮擋體[6]。測風塔概況見表5。

表3 沙洋氣象站近10年和測風年月平均風速統(tǒng)計Table 3 Statistics of mean annual wind speed of Sha-yang meteorological station in recent 10 years and measured wind months

從測風時段來看，8381#、8712#、0875#和0876#測風塔測風數(shù)據(jù)時長均超過一個完整年，但8722#測風塔測風時長僅5個月[7]，故本階段選取測風時段較長的8381#、8712#、0875#和0876#共4座測風塔測風塔為代表測風塔，8722#測風塔僅作為參照塔[8]。

表4 沙洋氣象站的風向頻率分布情況Table 4 Wind direction and frequency distribution of Sha-yang meteorological station

根據(jù)《風電場風能資源評估方法》(GB/T18710-2002)的要求，8381#、8712#、0875#和0876#代表測風塔皆選取完整率最高且數(shù)據(jù)同期的的時段2016年11月1日至2017年10月31日作為代表年[9]。

2.2.2 測風塔風況分析

根據(jù)統(tǒng)計分析風電場代表測風塔風況，風能資源結(jié)論如下：風電場風功率密度等級為1級，風速分布主要以中低風速為主[10]，測風塔處有效風速利用小時數(shù)尚可，風向穩(wěn)定在N～NE方向，風能分布集中，湍流強度較低，風切變指數(shù)較大[11]。各測風塔代表年主要風況參數(shù)表見表6。

3 氣象數(shù)據(jù)在風資源評估和風電場設(shè)計中的應用

3.1 長年代測風數(shù)據(jù)的訂正

沙洋氣象站距離風場比較近，與風場具有相似的地形條件，與測風數(shù)據(jù)同期測風結(jié)果的相關(guān)性較好，具有30年以上的規(guī)范的測風記錄，可作為長年代測風數(shù)據(jù)訂正的參證氣象站[12]。

選取8381#測風塔作為代表塔，對其數(shù)據(jù)和沙洋氣象站同期數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，如圖7所示，其中：y代表氣象站風速，x代表8381#測風塔實測風速。

8381#測風塔實測風速與氣象站同期數(shù)據(jù)之間相關(guān)系數(shù)為0.65，風速相關(guān)性較好，故依據(jù)氣象站多年數(shù)據(jù)進行長系列訂正。

圖2 8381#測風塔100 m高度風速與氣象站同期數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系圖Fig.2 Correlation diagram between 100 m wind speed of wind tower 8381# and data of meteorological station in the same period

表5 測風塔概況Table 5 Overview of wind tower

表6 各測風塔代表年主要風況參數(shù)表Table 6 The main annual wind condition parameters of each wind measuring tower

由前述內(nèi)容可知，氣象站1988年至2008年平均風速年均風速變化較平穩(wěn)，2007年后年均風速呈明顯增加趨勢，原因是因為沙洋氣象站2008年由人工觀測改為自動觀測。改為自動觀測后，沙洋氣象站2008-2017年共計10年的年平均風速為3.74 m/s，測風代表年（2016年11月1日至2017年10月31日）的年平均風速為3.72 m/s。本階段選擇近10年的時間段對代表年進行大小風年進行訂正分析，代表年風速較近40年平均風速低0.54%，因偏小幅度較小，本階段判斷對測風塔代表年（2016年11月1日至2017年10月31日）做平風年處理，暫不對代表年數(shù)據(jù)進行長年代訂正。

3.2 空氣密度計算

（1）根據(jù)沙洋氣象站資料推算空氣密度

根據(jù)沙洋氣象站實測多年平均氣溫、氣壓和水汽壓數(shù)據(jù)可由公式（1）計算氣象站平均空氣密度。

式中：ρ為平均空氣密度（kg/m3）；

t——平均氣溫（℃）；

P——平均氣壓（hPa）；

e——平均水汽壓（hPa）。

根據(jù)沙洋氣象站累年平均氣溫、氣壓、水汽壓資料：t=16.1 ℃，P=1003.3 hPa，e=15.4 hPa，采用公式（1）計算得到沙洋氣象站累年平均空氣密度為1.202 kg/m3。

（2）根據(jù)氣象站資料推算風電場場址空氣密度

該風電場場地為平原，預裝風機輪轂高度處海拔平均高度約100 m。利用沙洋氣象站累年平均氣溫資料（16.1 ℃），考慮海拔升高等因素，根據(jù)氣溫、海拔高度，采用公式（2）計算風機輪轂高度處空氣密度。

式中：ρ——年平均空氣密度，kg/m3；

z——風場的海拔高度，m；

T——年平均空氣開氏溫標絕對溫度，T=t（℃）+273。

通過式（2）計算得到風機輪轂高度處的空氣密度為1.17 kg/m3。

3.3 災害性天氣的分析與應對措施

據(jù)沙洋氣象站資料統(tǒng)計，該區(qū)域的年平均雷暴日數(shù)為30.6 d，雷暴活動較為頻繁，因此應加強風電場風電機組的防雷設(shè)計，根據(jù)不同的雷擊損壞機理，對葉片、機艙、軸承等機械部件以及信號、控制線路等采取不同的防雷措施[13]。

據(jù)沙洋氣象站資料統(tǒng)計，2016年7月17日08時至21日08時，沙洋馬良累計雨量881.5 mm。19至20日，沙洋馬良6小時降水519.9 mm，32小時累計降水量達到874.6 mm，其6小時、32小時累計雨量均突破了湖北省有氣象記錄以來的歷史極值。由于暴雨多，雨量大，易引起山洪爆發(fā)，導致風電場場坪、升壓站等生產(chǎn)場地漬澇等地質(zhì)災害，給正常的生產(chǎn)運行帶來不利及增加維護費用。

針對暴雨及洪澇災害，應急預案如下：

1）風電場管理處成立防汛突擊隊，下暴雨時各隊員隨時待命。

2）每年雨季來臨前，組織人員做好排水溝的清除淤泥工作。

3）經(jīng)常檢查升壓站內(nèi)設(shè)施，發(fā)現(xiàn)故障，及時組織人員維修。

4）提高升壓站地基，或在雨季到來之前，用沙袋墊在升壓站門口。

5）準備齊全防汛設(shè)備、工具，使其處于隨時能用狀態(tài)。

6）下暴雨期間，要保證24小時有人巡查，發(fā)現(xiàn)險情及時通知人員搶救。

據(jù)沙洋氣象站資料統(tǒng)計，歷年極端最低氣溫為零下14 ℃，存在一定的覆冰現(xiàn)象。覆冰是指地面樹木、設(shè)施等物體表面產(chǎn)生的結(jié)冰現(xiàn)象。對于風電場來說，覆冰是不容忽視的災害性天氣，當風機葉片表面大量覆冰時，會造成葉片負載增加，并使得粗糙度增加，這些都會降低翼型的氣動性能，影響到機組的正常運行。另外，風機常規(guī)測風儀中的風杯被結(jié)成冰球，可導致測風數(shù)據(jù)不準，影響風機正常發(fā)電；風標被凍結(jié)則將影響風機主動偏航；輸電線路電線結(jié)冰，會因負重增加而導致電線扭轉(zhuǎn)甚至拉斷，影響電力輸送。因此，在風電場的風機和架空輸電線路等高聳構(gòu)筑物的設(shè)計中，覆冰是一個重要的設(shè)計參數(shù)[14]。

據(jù)沙洋氣象站資料統(tǒng)計，多年平均降雪日數(shù)為7.4 d，歷年最大積雪深度為16 mm，發(fā)生在1989年。若工程運行階段積雪未及時清掃，可能導致場內(nèi)道路被積雪堵塞或引發(fā)車輛傷害事故，主變壓器等戶外電器設(shè)備長期覆雪可能導致設(shè)備局部短路，電氣設(shè)備上的積雪清掃不符合規(guī)程、規(guī)范要求可能導致人員觸電事故發(fā)生。另外，風電場內(nèi)建筑物頂部積雪未及時清理，荷載增大，有導致建(構(gòu))筑物因暴雪載荷增大而發(fā)生坍塌的可能。

4 風電場風能資源圖譜繪制

綜合以上分析，風能資源評估結(jié)論為：風電場風功率密度等級為1級，風速分布主要以中低風速為主。風電場主風向和主風能方向基本一致，盛行風向較穩(wěn)定。風電場湍流強度較低，風切變指數(shù)較大，適合采用大葉片、高輪轂和較大單機容量的風力發(fā)電機組[15]。

本階段采用Meteodyn_WT5.3.2軟件優(yōu)化和人工調(diào)整相結(jié)合的方式對風電場進行風電機組的優(yōu)化布置[12]。根據(jù)分析計算結(jié)果，華潤沙洋馬良二期風電場區(qū)域規(guī)劃裝機容量為100 MW，規(guī)劃安裝40臺2.5 MW風力發(fā)電機組。圖3根據(jù)測風塔計算的100 m高度風速分布圖，圖4為根據(jù)測風塔計算的100 m高度風能密度分布圖。

圖3 風電場100 m高度風速分布圖Fig.3 Distribution of wind speed at 100 m height of wind farm

5 結(jié)論

風能和太陽能是清潔、可再生的自然資源，是未來能源的主要解決方案。而風能開發(fā)利用全產(chǎn)業(yè)鏈均與氣象工作密切相關(guān)，對此我們可以從三個方面入手，將氣象數(shù)據(jù)應用于風資源評估和風電場設(shè)計中。第一，根據(jù)基本氣象要素分析區(qū)域氣候特征；第二，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對測風數(shù)據(jù)進行佐證與分析；第三，根據(jù)對災害性天氣的分析，在風電場設(shè)計中應采取氣象災害防治措施。隨著氣象數(shù)據(jù)在風資源評估中的逐步應用與推進，可提高風資源評估的精確度，有效地較低風電開發(fā)風險。

圖4 風電場100 m高度能量密度分布圖Fig.4 Distribution map of energy density at 100 m height of wind farm