高潔 胡己坤 劉雨佳 袁紅亮 劉瑋

風(fēng)電場建設(shè)前要對擬建區(qū)域的風(fēng)能資源進(jìn)行評估，評估的主要依據(jù)是現(xiàn)場所立測風(fēng)塔或測風(fēng)儀器獲取的實(shí)際觀測資料。但由于現(xiàn)場一般較為偏遠(yuǎn)，在測風(fēng)期間可能出現(xiàn)故障或其他情況，從而導(dǎo)致測風(fēng)數(shù)據(jù)完整率不能滿足《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》GB/T18710-2002要求。為準(zhǔn)確評估現(xiàn)場的風(fēng)能資源，需要對測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延長。在測風(fēng)數(shù)據(jù)完整率不足的情況下，可根據(jù)附近長期測站的觀測數(shù)據(jù)對測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)訂正，但在實(shí)際工程中多數(shù)情況下需要采用再分析數(shù)據(jù)作為參考，因此采用中尺度再分析資料作為插補(bǔ)參考的可行性成為重要的研究方向。目前已有學(xué)者分析了采用中尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延長的幾種方法，并在地形較為平坦的內(nèi)蒙古地區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證。但對多種地形條件進(jìn)行分析討論的研究相對不足。

本文針對不同地形條件對比研究了7種插補(bǔ)延長方法的可行性，分析得到不同地形、不同條件下最適宜的插補(bǔ)延長方法，對實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源的精細(xì)化評估具有較高的工程指導(dǎo)意義。風(fēng)速數(shù)據(jù)插補(bǔ)延長方法

當(dāng)目標(biāo)地點(diǎn)的風(fēng)速和參考點(diǎn)同期測量的數(shù)據(jù)之間具有較好的相關(guān)關(guān)系時，就可利用參考點(diǎn)數(shù)據(jù)插補(bǔ)延長目標(biāo)地點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)的空白，目前主要的風(fēng)速插補(bǔ)延長方法包括以下7種。

一、線性最小二乘法（LLS.Iinear 1east squares）

線性最小二乘法所得到的擬合線性曲線y=mx+b計算方法如下：這種方法與“線性最小二乘法”的不同之處在于，它最小化的誤差項(xiàng)是每一個測量的數(shù)據(jù)點(diǎn)與最佳擬合直線之間垂直距離的平方和。

三、風(fēng)速分類法（ss.speedsort）

風(fēng)速分類法同樣是建立y=mx+6的線性曲線。在風(fēng)速分析中，風(fēng)速排序是唯一的，在進(jìn)行線性曲線擬合前，先對目標(biāo)風(fēng)速和參考風(fēng)速進(jìn)行排序，然后設(shè)定擬合曲線與風(fēng)速的偏差值為一個固定值或采用長期平均參考風(fēng)速的一半，最后使用正交最小二乘法進(jìn)行擬合，通過擬合的結(jié)果得到目標(biāo)地點(diǎn)的風(fēng)速。

四、垂直切片法（VS.verticalsfice）

垂直切片法是利用從目標(biāo)風(fēng)速和參考風(fēng)速的散點(diǎn)圖上得到的分段線性曲線來進(jìn)行風(fēng)速預(yù)測的。為了獲得每一段的線性曲線，首先將目標(biāo)風(fēng)速與參考風(fēng)速的散點(diǎn)圖沿著x軸分成n個大小相同的切片（垂直切片），分別計算每個切片里的平均目標(biāo)風(fēng)速值。然后，在每個切片中指定一個點(diǎn)，該點(diǎn)的x值是切片的x值中點(diǎn)，y值是切片里的平均目標(biāo)風(fēng)速。垂直切片法的分段線性曲線就是由這些點(diǎn)通過直線連接得到的。

五、平方差比方法（vR varianceration）

用線性模型審=mx+b從參考風(fēng)速來預(yù)測目標(biāo)風(fēng)速：

六、矩陣時間序列法（MTS.matrix time series）

該方法的基本思想是利用目標(biāo)風(fēng)速和參考風(fēng)速的完全二維聯(lián)合概率分布來生成目標(biāo)風(fēng)速數(shù)據(jù)。首先，建立百分比時間序列。采用同時刻的目標(biāo)風(fēng)速和參考風(fēng)速建立聯(lián)合概率分布，從中選擇相應(yīng)的參考風(fēng)速列，并構(gòu)建目標(biāo)風(fēng)速的累積分布函數(shù)。其次，從時間序列累積分布函數(shù)中計算出與觀測到的目標(biāo)風(fēng)速相對應(yīng)的百分比值。結(jié)合百分比時間序列數(shù)據(jù)，使用內(nèi)置的空白填充算法，綜合考慮時間序列的季、月、日變化填補(bǔ)百分比時間序列的空白段。最后，與第一步構(gòu)建百分比時間序列相反，引用聯(lián)合概率分布和累積分布函數(shù)，通過給定的百分比時間序列計算對應(yīng)的預(yù)期目標(biāo)風(fēng)速。

七、威布爾分布法（W F.weifull fit）

風(fēng)速數(shù)據(jù)插補(bǔ)延長結(jié)果對比

本次共收集到新疆、陜西、河南的4座測風(fēng)時間滿一年的測風(fēng)塔原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)缺測少、完整率高，滿足風(fēng)能資源評估要求，故本次不對數(shù)據(jù)作修正分析。為進(jìn)行風(fēng)速數(shù)據(jù)插補(bǔ)延長結(jié)果對比，分別選取其中測風(fēng)時長為三個月、六個月、九個月的實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)作為原始測風(fēng)數(shù)據(jù)，采用MERRA數(shù)據(jù)作為再分析資料對其進(jìn)行插補(bǔ)延長得到完整一年的數(shù)據(jù)，然后通過平均風(fēng)速偏差、平均風(fēng)速檢驗(yàn)、均方根誤差3項(xiàng)指標(biāo)對得到的插補(bǔ)結(jié)果與實(shí)測完整年測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。指標(biāo)中的平均風(fēng)速偏差、均方根誤差越小表示插補(bǔ)延長得到的結(jié)果精確度越高，平均風(fēng)速檢驗(yàn)與1越接近，則結(jié)果越準(zhǔn)確。3種檢驗(yàn)參數(shù)的計算公式如下：

本次收集了各測風(fēng)塔位置處的再分析資料100m高度的近30年數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)建立相關(guān)方程。測風(fēng)塔信息見表1，測風(fēng)時長為一年，測風(fēng)塔100m高度實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計值見表2。

各測風(fēng)塔數(shù)據(jù)與MERRA數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計見表3。

由于MERRA數(shù)據(jù)為擬合數(shù)據(jù)，所以測風(fēng)塔與MERRA數(shù)據(jù)相關(guān)性總體看來一般，相關(guān)系數(shù)在0.59～0.73之間，2#、3#測風(fēng)塔相關(guān)系數(shù)高于1#、4#測風(fēng)塔。

當(dāng)測風(fēng)塔與中尺度MERRA數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)越高時，測風(fēng)塔插補(bǔ)延長后的測風(fēng)數(shù)據(jù)均方根誤差越小。當(dāng)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7以上時，測風(fēng)塔插補(bǔ)延長后的數(shù)據(jù)誤差明顯較低，低于0.3。

由此可知，當(dāng)測風(fēng)塔與再分析數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)大于0.7時，采用再分析數(shù)據(jù)對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延長可以得到較為準(zhǔn)確的風(fēng)速結(jié)果。

一、三個月數(shù)據(jù)插補(bǔ)結(jié)果

采用7種風(fēng)速插補(bǔ)方法將測風(fēng)塔三個月的數(shù)據(jù)插補(bǔ)延長為一年的結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行比較，統(tǒng)計結(jié)果見表4，插補(bǔ)后逐月風(fēng)速統(tǒng)計結(jié)果見圖1。

從插補(bǔ)延長后的年平均風(fēng)速偏差及檢驗(yàn)結(jié)果看，總體最小二乘法（TLS）可以得到與實(shí)測值最為接近的風(fēng)速值，7種方法的年平均風(fēng)速偏差在0.05～0.56m/s之間，差距較大。從插補(bǔ)延長后的均方根誤差來看，對于相關(guān)性較好的測風(fēng)塔，線性最小二乘法（LLS）和風(fēng)速分類法（ss）插補(bǔ)結(jié)果較為準(zhǔn)確：對于相關(guān)性較差的測風(fēng)塔，威布爾分布法（WF）插補(bǔ)結(jié)果較為準(zhǔn)確。同時通過分析得到測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)與再分析數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)越高，插補(bǔ)延長后的逐月風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速年際變化越接近。

二、六個月數(shù)據(jù)插補(bǔ)結(jié)果

采用7種風(fēng)速插補(bǔ)方法將測風(fēng)塔六個月的數(shù)據(jù)插補(bǔ)延長為一年的結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行比較，統(tǒng)計結(jié)果見表5，插補(bǔ)后逐月風(fēng)速統(tǒng)計結(jié)果見圖4。

從插補(bǔ)延長后的年平均風(fēng)速偏差及檢驗(yàn)結(jié)果看，總體最小二乘法（TLS）和風(fēng)速分類法（ss）可以得到與實(shí)測值最為接近的風(fēng)速值，各方法年平均風(fēng)速的偏差在0.01～0.48m/s之間，差距較大。對于相關(guān)性較好的測風(fēng)塔，線性最小二乘法（LLS）與風(fēng)速分類法（ss）插補(bǔ)結(jié)果較為準(zhǔn)確：對于相關(guān)性較差的測風(fēng)塔，總體最小二乘法（TLS）插補(bǔ)結(jié)果較為準(zhǔn)確。偏差值較大的方法為垂直切片法（VS）。從插補(bǔ)延長后的均方根誤差來看，風(fēng)速分類法（ss）的誤差值在幾種方法中均為最小。同時可以得到測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)與再分析數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)越高，插補(bǔ)延長后的逐月風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速年際變化越接近。

三、九個月數(shù)據(jù)插補(bǔ)結(jié)果

采用7種風(fēng)速插補(bǔ)方法將測風(fēng)塔九個月的數(shù)據(jù)插補(bǔ)延長為一年的結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行比較，統(tǒng)計結(jié)果見表6，插補(bǔ)后逐月風(fēng)速統(tǒng)計結(jié)果見圖7。

從插補(bǔ)延長后的年平均風(fēng)速偏差及檢驗(yàn)結(jié)果看，風(fēng)速分類法（ss）可以得到與實(shí)測值最為接近的風(fēng)速值，各方法年平均風(fēng)速的偏差在0.02～0.32m/s之間，差距較大，但與三個月及六個月數(shù)據(jù)相比，各方法的年平均風(fēng)速誤差逐漸縮小。偏差值較大的方法為垂直切片法（VS）。從插補(bǔ)延長后的均方根誤差來看，對于相關(guān)性較好的測風(fēng)塔，威布爾分布法（WT）和風(fēng)速分類法（ss）插補(bǔ)結(jié)果較為準(zhǔn)確：對于相關(guān)性較差的測風(fēng)塔，威布爾分布法（WT）插補(bǔ)結(jié)果較為準(zhǔn)確。同時通過分析得到測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)與再分析數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)越高，插補(bǔ)延長后的逐月風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速年際變化越接近。

結(jié)論

本文利用4座位于不同區(qū)域、不同地形條件下的測風(fēng)塔完整一年實(shí)測數(shù)據(jù)，基于再分析數(shù)據(jù)對7種風(fēng)速插補(bǔ)延長方法（線性最小二乘法、矩陣時間序列法、總體最小二乘法、風(fēng)速分類法、平方差比法、垂直切片法、威布爾分布擬合法）進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

（1）在不同的地形條件下，再分析數(shù)據(jù)與測風(fēng)數(shù)據(jù)的相關(guān)性越好，插補(bǔ)延長得到的風(fēng)速偏差越小，插補(bǔ)結(jié)果越準(zhǔn)確。

（2）對于測風(fēng)塔三個月樣本數(shù)據(jù)，各方法均不能得到較準(zhǔn)確的插補(bǔ)延長結(jié)果;對于測風(fēng)塔六個月樣本數(shù)據(jù)，在與再分析數(shù)據(jù)相關(guān)性一般的情況下，總體最小二乘法（TLS）能夠得到相對準(zhǔn)確的插補(bǔ)延長結(jié)果，相關(guān)性較好的情況下，線性最小二乘法（LLS）和風(fēng)速分類法（ss）能夠得到相對準(zhǔn)確的插補(bǔ)延長結(jié)果;對于測風(fēng)塔九個月樣本數(shù)據(jù)，威布爾分布法（WF）和風(fēng)速分類法（ss）能夠得到相對準(zhǔn)確的插補(bǔ)延長結(jié)果。而垂直切片法（VS）不論數(shù)據(jù)樣本長短，插補(bǔ)延長得到的結(jié)果均與實(shí)際結(jié)果偏差較大。

（3）測風(fēng)數(shù)據(jù)實(shí)測時間越長，插補(bǔ)延長得到的風(fēng)速結(jié)果偏差越小。