王 強,王 通,路繼寧

(1.長江三峽集團福建能源投資有限公司,福建 福州350003；2.上?？睖y設計研究院有限公司,上海200093)

風能在全球電力系統(tǒng)中的重要性日益提高,逐漸成為世界各國普遍重視的可再生能源。預計2050年,全球總發(fā)電量的35%將來自風能[1]。在風力發(fā)電中,因海上風電所在區(qū)域風資源條件好,靠近負荷中心,越來越受到人們的關注,日益成為我國電力能源結構的重要組成部分。

在開發(fā)海上風電過程中,需要詳細的風資源數據作為技術支撐,傳統(tǒng)的固定式測風塔受到手續(xù)繁瑣、造價昂貴、施工窗口期短等因素制約,而漂浮式雷達測風裝置因其投放靈活、造價成本低越來越受到業(yè)界的關注。

從2009年開始,漂浮式雷達測風裝置在歐洲國家陸續(xù)投入使用,提供了新的測風解決方案,目前歐洲有Wind Sentinel[2],SEA WATCH[3],Li DAR Wind Buoy[4]等8種浮標系統(tǒng)類型。此次運用的是德國Franuhofer I WES設計的Li DAR Wind Buoy浮標系統(tǒng),在德國梅爾風電場已有使用記錄,狀況良好。國內雷達測風在陸上已有成熟運用,但之前尚未有海上漂浮式雷達使用的先例。2018年,中國長江三峽集團有限公司福建分公司購買了2臺德國弗勞恩霍夫風能及能源系統(tǒng)技術研究院(Fraunhofer I WES)開發(fā)設計的漂浮式雷達測風裝置。雖然這套設備在歐洲北海的海上風電場中投運多年,但中國尚屬首次使用,測風數據的可靠性能否保證,需要進一步驗證。

本研究以福清興化灣樣機試驗風場作為實驗地點,對漂浮式雷達測風裝置與島嶼固定式測風塔就風速和風向進行了同步比對分析。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域位置

此次漂浮式雷達測風裝置與固定式測風塔比對區(qū)域設置在福清興化灣樣機試驗風場三塔嶼附近。福清興化灣樣機試驗風場位于福建省福清市江陰半島東南側和牛頭尾西北側,具體位置示意見圖1。

圖1 漂浮式雷達與實體測風塔位置關系圖Fig.1 Relations bet ween the Fraunhofer I WES Buoys and the location of wind tower

1.2 研究區(qū)域風資源情況

福建省位于臺灣海峽西岸,冬季盛行東北風,夏季盛行西南風,盛行風向頻率冬季高于夏季[5]。熱帶氣旋在西北太平洋地區(qū)頻發(fā),平均每年影響或登陸福建的臺風達7個[6]。

福清興化灣樣機試驗風場裝機77.4 M W,場址中心距岸線約3.0 k m,平均水深4.8 m,總面積約33.2 k m2。根據風電場內所立測風塔測風資料,場址90 m高度風速為8.2 m/s,風功率密度為548.4 W/m2,風功率密度等級為5級,場址區(qū)域風能資源豐富。

風電場離海平面90 m高度代表年風向主要集中在NNE、NE,占全部風向的78.64%,風能主要集中在NNE、NE,占全部風能的89.57%以上,區(qū)域風向玫瑰圖見圖2。

圖2 測風塔區(qū)域風速(m·s-1)、風向頻率玫瑰圖Fig.2 Rose diagra m of wind speed and wind direction frequency in wind tower area

1.3 測試比對時間

此次漂浮式雷達測風裝置與固定式測風塔測試比對時間為2018-03-25—07-11。期間2018年8號臺風瑪莉亞在附近登陸,我們也一并對臺風期間所測的風資源進行了分析比對。

2 漂浮式雷達測風裝置參數

Fraunhofer漂浮式雷達測風裝置能夠測量周邊0～200 m以內的風資源數據。此設備目前已被廣泛應用在德國北海、丹麥西海岸以及蘇格蘭東海岸區(qū)域的海上風電場中。設備主體使用航標燈結構,完全密封設計,穩(wěn)定性好。Fraunhofer漂浮式雷達測風裝置搭配了多樣化的供電方案和充足的電能儲備,能夠保障設備持續(xù)運行。該裝置能夠在不同氣候條件和水深的海域布置,靈活度高。表1為Fraunhofer漂浮式雷達測風裝置的基本性能。

圖3為雷達測風裝置示意圖。設備組成包括激光雷達、風力發(fā)電機(主供電系統(tǒng))、太陽能板(輔供電系統(tǒng))、航標燈、GPS、氣象站、GSM天線、雷達信號反射器、蓄電池以及各類傳感器。

表1 Fr aunhofer漂浮式雷達測風裝置性能Table 1 Perf or mances of t he Fraunhofer I WES Buoy

圖3 雷達測風裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of Fraunhofer I WES buoys

3 測試方法

根據《風電場風能資源評估方法》[7],通過對數據完整性、合理性、相關性分析,研究雨、霧、臺風、浪、流等復雜環(huán)境對雷達測風數據的影響,并對比分析研究傳統(tǒng)機械式測風數據和漂浮式雷達測風數據,從而驗證漂浮式雷達測風數據的可靠性。以下為測試方法的3個路徑:

1)對收集到的2臺雷達測風裝置數據進行完整性、合理性和相關性驗證。

2)對島嶼固定測風塔同期數據進行完整性、合理性和相關性驗證。

3)通過對漂浮式雷達測風裝置與固定測風塔同期驗證數據對比,分析和研究不同高度逐時風速、風向相關性。

4 測試結果

4.1 完整性

從10,70,90和110 m共4個高度比對風速和風向數據(其中漂浮式雷達測風裝置加上自身雷達離海面高度,最低的測風高度為13 m,故漂浮式雷達測風裝置13 m高程測風數據與固定式測風塔的10 m高程測風數據進行比對)。經統(tǒng)計,固定式測風塔數據完整率為96.6%,兩臺漂浮式雷達測風裝置的數據完整性也均達到93%以上(表2),符合文獻[7]中關于測風有效數據完整率應達到90%的要求。

表2 測風設備觀測完整率表Table 2 Data integrity rate of the Fraunhofer I WES Buoys and the wind tower

4.2 合理性

根據文獻[7],選取風速、風向、平均風速變化、平均風速差值和平均風向差值五個維度,對各測風設備測試時段內的測風數據進行合理性驗證,具體見表3。總體來說,本階段固定式測風塔和兩臺漂浮式雷達測風裝置的測風數據均滿足合理性檢驗的要求。固定式測風塔在110 m高度風速數據不合理數略多,但漂浮式雷達測風裝置數據在該高度數據正常,滿足風能資源評估要求。

表3 測風數據合理性統(tǒng)計表Table 3 Statistics of wind data rationality

4.3 相關性

去除各測風設備不合理數據后,分別對各測風設備不同高度的實測風速數據進行相關性分析。固定式測風塔在不同高度風速具有良好的相關性,且整體各個通道測風數據準確度較高,數據可靠。其中10 m高度與其他高度的風速相關性略低。初步分析,主要是三塔嶼的地表粗糙度對10 m高度的風速造成了一定影響。具體分析結果見表4和圖4。

表4 固定式測風塔不同高度風速相關系數Table 4 Correlation coefficient of the wind speeds measured with fixed wind tower at different altitudes

圖4 固定式測風塔不同高度風速相關性Fig.4 Correlation bet ween the wind speeds measured with fixed wind tower at different altitudes

漂浮式雷達測風裝置1#不同高度風速具有良好的相關性,各個通道測風數據準確度較高,數據可靠。與固定式測風塔一樣,13 m高度與其他高度的相關性略低。分析結果見表5和圖5。

表5 漂浮式雷達1不同高度風速相關性分析表Table 5 Correlation analysis of t he wind speeds measured with Buoy 1#at different altitudes

圖5 漂浮式雷達1不同高度風速相關性Fig.5 Correlation bet ween the wind speeds measured with Buoy 1#at different altitudes

漂浮式雷達測風裝置2#不同高度風速具有良好的相關性,各個通道測風數據準確度較高,數據可靠。與其他測風設備的表現一致,13 m高度與其他高度風速相關性略低。分析結果見表6和圖6。

表6 漂浮式雷達2不同高度風速相關系數Table 6 Correlation coefficient of the wind speeds measured with Buoy 2#at different altitudes

圖6 漂浮式雷達2不同高度風速相關性Fig.6 Correlation bet ween the wind speeds measured with Buoy 2#at different altitudes

通過對比各測風設備自身不同高度相關性情況,可知除10/13 m高度外,其他高度的風速相關性均在0.99左右,說明測試處高空的風速相關性表現出色,但低空風速受地表粗糙度影響較大。通過各測風設備之間相同高度的相關性情況比較,可以得出3個測風設備的相關性較高,超過0.95(表7)。

表7 測試時段3個測風設備相同高度風速相關系數Table 7 Correlation coefficient of the wind speeds measured with t hree devices at different altitudes

4.4 風速情況

圖7～圖10為不同高度的10 min平均風速過程圖,其中灰色線為固定式測風塔(風功率預測塔)所測風速,紅色線為漂浮式雷達測風裝置1#所測風速,藍色線為漂浮式雷達測風裝置2#所測風速。通過各測風設備在測試時段所測的風速情況分析,各設備所測的10 min平均風速在不同高度的趨勢一致,相對偏差較小,其中漂浮式雷達測風裝置1#所測的10 min平均風速數據存在個別時段偏低的情況,主要集中在05-13—20和06-24—07-08兩個時間段。

圖7 10和13 m高度10 min平均風速過程曲線圖Fig.7 10 minutes averaged wind speeds measured at an altit ude of 10 and 13 m

圖8 70 m高度10 min平均風速過程曲線圖Fig.8 10 minutes averaged wind speed measured at an altitude of 70 m

圖9 90 m高度10 min平均風速過程曲線圖Fig.9 10 minutes averaged wind speed measured at an altitude of 90 m

圖10 110 m高度10 min平均風速過程曲線圖Fig.10 10 minutes averaged wind speed measured at an altitude of 110 m

4.5 風向情況

對各測風裝置不同高度風向數據進行統(tǒng)計,各高度的風向一致性較好(圖11),特別注意固定式測風塔70 m高度與其他高度似乎存在一定差別,結合風向時序分析認為風向數據集中在NNE～NE扇區(qū)過渡段,70 m統(tǒng)計差異是扇區(qū)劃分方式導致,符合實際。

圖11 不同高度風速(m·s-1)風向玫瑰圖Fig.11 Rose diagrams of wind speed(m·s-1)and wind direction frequency at different altitudes

4.6 臺風影響

在設備測試期間,經歷了2018年8號臺風“瑪莉亞”。2018-07-04 T20:00,第8號臺風“瑪莉亞”在美國關島以東洋面生成；07-08T05:00,臺風“瑪莉亞”以超強臺風級出現在臺灣省宜蘭縣東偏南方約1 930 k m的西北太平洋洋面上；07-11 T09:00,臺風“瑪莉亞”在福建連江黃岐半島登陸(與測試地點直線距離約100 k m),登陸時中心附近最大風力有十四級(42 m/s),中心最低氣壓960 h Pa。綜合考慮臺風中心與測風設備距離以及臺風強度變化對測風設備測風的影響,繪制臺風生命周期過程中實測風向、風速、湍流與臺風中心與測風設備距離以及臺風強度時序圖進行分析。

臺風期間(07-04 T20:00—07-11 T09:00)各設備實測風速、風向、湍流強度變化趨勢基本一致。隨著臺風中心至場址距離的減小,測風設備受到十級臺風風圈的影響,實測風速變化較劇烈,但漂浮式雷達測風裝置測到的風速峰值比島嶼固定式測風塔測到的峰值小(圖12)；在臺風接近測風設備的過程中,測風設備實測風向受臺風影響出現明顯變化,之后逐漸變化到受臺風影響前的波動區(qū)間,測風設備實測風向受臺風影響出現明顯變化(圖13)；當風向出現突變時,漂浮式雷達測風裝置湍流強度較穩(wěn)定,固定式測風塔湍流強度在短時間內變化較大(圖14)。

圖12 臺風期間風速對比Fig.12 Co mparison of wind speeds measured with different devices during typhoon

圖13 臺風期間風向對比Fig.13 Co mparison of wind directions measured wit h different devices during typhoon

圖14 臺風期間湍流強度對比Fig.14 Tur bulence intensity measured wit h different devices during typhoon

5 結 語

為了驗證漂浮式雷達測風裝置的性能,通過在與島嶼固定式測風塔在測風數據的完整性、合理性、相關性進行比對,確認了漂浮式雷達測風裝置所測風資源數據的可靠性。具體結論如下:

1)漂浮式雷達測風裝置數據完整率超過90%,漂浮式雷達測風裝置自身不同高度風速具有良好的相關性,與固定式測風塔在相同高度的風速相關系數范圍為0.96～0.98,相關性高；

2)各測風設備各高度實測風速情況基本一致,測風數據過程線基本吻合,風向一致性較高；

3)漂浮式雷達測風裝置在2018年8號臺風“瑪莉亞”影響期間正常測風,比較準確地記錄了臺風對風電場區(qū)域的環(huán)境影響,但所測風速峰值比固定式測風塔較小。