尉正斌 高 勇 鄭偉呈

（特變電工新疆新能源股份有限公司，陜西 西安 610110）

0 引言

風(fēng)能作為清潔可再生能源，高效利用風(fēng)能對我國的節(jié)能減排具有重要作用。在“雙碳”政策背景下，大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)具有重要的歷史意義[1]。風(fēng)電在各種新能源中技術(shù)較為成熟，能源利用效率較高，因此風(fēng)力發(fā)電飛速發(fā)展。在風(fēng)電場建設(shè)前期，風(fēng)電場區(qū)風(fēng)資源的準(zhǔn)確評估影響項(xiàng)目建設(shè)可行性判斷，在風(fēng)資源評估中的較大誤差可能直接顛覆項(xiàng)目建設(shè)。因此，準(zhǔn)確判斷風(fēng)電場風(fēng)能資源對風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)具有重要的意義。

1 主要參數(shù)

1.1 風(fēng)速

在空間特定點(diǎn)氣體微團(tuán)經(jīng)過該點(diǎn)的移動(dòng)速度，在工程建設(shè)中，主要分析的風(fēng)速包括月平均風(fēng)速、年平均風(fēng)速、最大風(fēng)速以及極大風(fēng)速等。

1.2 風(fēng)頻

指風(fēng)向在某一方向發(fā)生的次數(shù)，為風(fēng)速風(fēng)頻分布，在數(shù)據(jù)分析中常用柱狀圖表示。

1.3 風(fēng)切變指數(shù)

在近地大氣邊界層中，由于地面粗糙物引起的摩擦效應(yīng)，表現(xiàn)在近地層中風(fēng)速隨著高度變化而變化的關(guān)系。根據(jù)普朗特經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出的冪指數(shù)定律如公式（1）所示。

式中：Vx為Zx高度處風(fēng)速；V0為Z0高度處的風(fēng)速；α為風(fēng)切變指數(shù)。

1.4 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度是表征流體在各方向的速度分量的變化的不規(guī)則性，在流體力學(xué)里流體湍流運(yùn)動(dòng)的研究中，湍流強(qiáng)度一般為1%~10%，如公式（2）所示。

1.5 極大風(fēng)速

極大風(fēng)速為瞬時(shí)風(fēng)速的最大值。

1.6 風(fēng)能密度

風(fēng)能密度是在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，垂直于風(fēng)向的單位面積中風(fēng)所具備的能量。

1.7 風(fēng)向

在實(shí)際工程中，將風(fēng)向按照固定間隔為22.5°的方位統(tǒng)計(jì)風(fēng)頻，主要工具為風(fēng)向玫瑰圖。

2 Windographer 軟件介紹

2.1 軟件介紹

Windographer 是一款可視化軟件，在風(fēng)力資源分析過程中，可以自動(dòng)識別測量高度、風(fēng)速、標(biāo)準(zhǔn)偏差、垂直風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、壓力和相對濕度等數(shù)據(jù)。Windographer 可以讀取的數(shù)據(jù)格式包括NRG Systems、SecondWind、Ammonit、Campbell、Scientifican 和 Wilmers 等數(shù)據(jù)。

2.2 主要功能

2.2.1 速度

自動(dòng)確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分類及分層分析，識別并自動(dòng)計(jì)算平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差及風(fēng)能計(jì)算。

2.2.2 合并文件

在數(shù)據(jù)分析的過程中，附加過程將數(shù)據(jù)從一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)文件添加到一個(gè)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集?？梢允褂盟鼘?shù)據(jù)添加到現(xiàn)有數(shù)據(jù)列中，或添加新的數(shù)據(jù)列。

2.2.3 數(shù)據(jù)識別

Windographer 自動(dòng)標(biāo)識列包括風(fēng)速、標(biāo)準(zhǔn)差、垂直風(fēng)速、方向、溫度、壓力以及濕度數(shù)據(jù)。它可以自動(dòng)識別測量高度，并為每個(gè)數(shù)據(jù)列分配有意義的名稱和顏色?？梢源_認(rèn)或修改它的任何決定。

3 工程實(shí)例分析

以國內(nèi)某風(fēng)場前期測風(fēng)塔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Windographer軟件對測風(fēng)數(shù)據(jù)的完整性、合理性、有效性及相關(guān)性進(jìn)行分析。

3.1 風(fēng)場所在區(qū)域風(fēng)資源長期數(shù)據(jù)分析

在工程應(yīng)用中，對風(fēng)電場所在區(qū)域長期風(fēng)速進(jìn)行分析是非常重要的。風(fēng)電場的年平均風(fēng)速具有年際變化特征，如果采用大風(fēng)年測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)組選型，機(jī)組選型會(huì)相對保守，如果采用小風(fēng)年數(shù)據(jù)進(jìn)行選型，就會(huì)帶來冒進(jìn)和風(fēng)險(xiǎn)，通常在測風(fēng)周期大于1 年時(shí)，采用滑動(dòng)平均法選取代表年，原則是盡量保證數(shù)據(jù)的原始性，減少數(shù)據(jù)修正帶來的誤差。筆者對近20 年平均風(fēng)速進(jìn)行分析，近20 年的平均風(fēng)速為4.69m/s、近10 年的平均風(fēng)速為4.68m/s，近5 年的平均風(fēng)速為4.70m/s，通過分析可知，在該區(qū)域風(fēng)速的穩(wěn)定性較好，年平均風(fēng)速波動(dòng)較小，因此，合理選取代表年對發(fā)電量計(jì)算具有重要的作用，長期年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 長期年平均風(fēng)速數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 測風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析

表2 為測風(fēng)塔不同高度層的實(shí)測平均數(shù)據(jù)，在120m 高度層年平均風(fēng)速為4.864m/s，風(fēng)功率密度為153W·m-2；100m高度年平均風(fēng)速為4.284m/s，風(fēng)功率密度為117W·m-2，120m和100m 高度層平均風(fēng)速相差0.436m/s，根據(jù)公式（1）其風(fēng)切變指數(shù)0.266，說明抬升塔筒高度可以明顯增加發(fā)電量。

表2 測風(fēng)塔不同高度風(fēng)速及風(fēng)功率密度

圖1 年平均風(fēng)速直方圖

3.2.1 測風(fēng)數(shù)據(jù)完整性分析

評估風(fēng)電場場區(qū)測風(fēng)數(shù)據(jù)代表性及數(shù)據(jù)完整率，測風(fēng)周期不小于1 周年。在測風(fēng)塔數(shù)據(jù)處理前，需要對原始數(shù)據(jù)合理性進(jìn)行初步判斷，對數(shù)據(jù)文件殘缺、數(shù)據(jù)重復(fù)的可以提前處理，數(shù)據(jù)完整率大于90%。該項(xiàng)目在輪轂高度位置的數(shù)據(jù)完整率99.45%，滿足數(shù)據(jù)完整性的要求。

3.2.2 數(shù)據(jù)合理性分析

在數(shù)據(jù)合理性判斷前，需要在軟件里Flag 里設(shè)置初始規(guī)則設(shè)置，規(guī)則中有規(guī)定全風(fēng)速、風(fēng)向通道的，也有基于單/雙通道制定的規(guī)則，使用國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的規(guī)則標(biāo)記方式為low quality（低質(zhì)量的），針對全風(fēng)速、風(fēng)向通道的設(shè)置為lnvalid（無效的，例如風(fēng)速＞40 m/s 等），將疑似冰凍的標(biāo)記為Icing（冰凍）。冰凍標(biāo)記風(fēng)速規(guī)則：36 個(gè)Time（每10min）中，風(fēng)速變化值＜0.5 m/s，風(fēng)速SD＜0.1（風(fēng)速的變化＜0.1）（在連續(xù)6 h 內(nèi)風(fēng)速數(shù)值均小于0.5 且風(fēng)速SD 值＜0.1，并且風(fēng)速的變化值小于0.1，這樣表示在連續(xù)6 h 內(nèi)風(fēng)速小于0.5且無變化，風(fēng)速計(jì)的最小值為0.5）；冰凍標(biāo)記風(fēng)向規(guī)則：6個(gè)Time 中，風(fēng)向SD＜0.1，風(fēng)向的變化＜0.1（在連續(xù)1 h 內(nèi)風(fēng)向SD 值＜0.1，并且風(fēng)向的變化值小于0.1，這樣表示在連續(xù)1 h 內(nèi)風(fēng)向無變化，可視為冰凍）[2-5]。該項(xiàng)目中，在輪轂高度位數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不合理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

該項(xiàng)目場址位于平原地區(qū)，地形平坦，測風(fēng)塔運(yùn)行穩(wěn)定性較好，側(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

3.2.3 相關(guān)性檢驗(yàn)

在該項(xiàng)目中，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，在50 m~100 m 高度數(shù)據(jù)得相關(guān)性系數(shù)R2在0.8 以上，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，相關(guān)性好。

對測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性、合理性及完整性進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)完整率達(dá)到99.45%，大于90%，完整性好；50 m~100 m高度數(shù)據(jù)相關(guān)性R2在0.8 以上，相關(guān)性良好，數(shù)據(jù)均在合理范圍內(nèi)，測風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量高，為風(fēng)電場發(fā)電量準(zhǔn)確計(jì)算提供數(shù)據(jù)保障。

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 不合理數(shù)據(jù)篩選

通過以上合理性判斷設(shè)置，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)篩選按鈕后，軟件自動(dòng)篩選并標(biāo)記不合理數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)需要逐點(diǎn)查看時(shí)，在Flag 里面打開數(shù)據(jù)界面進(jìn)行查看并手動(dòng)標(biāo)記即可，然后在Revise 界面里刪除標(biāo)記數(shù)據(jù)。

3.3.2 缺測數(shù)據(jù)及不合理數(shù)據(jù)插補(bǔ)

如果缺少數(shù)據(jù)數(shù)，就采用的方法補(bǔ)充數(shù)據(jù)。測風(fēng)數(shù)據(jù)完整率=（應(yīng)測數(shù)目-缺測數(shù)目-無效數(shù)據(jù)數(shù)目）/應(yīng)測數(shù)目，數(shù)據(jù)完整率應(yīng)在95%以上，不能小于90%。通過以上分析可以看出，該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)完整率為98，高于95%。數(shù)據(jù)的完整率較好。且數(shù)據(jù)完整率達(dá)到98%以上，所以不處理。

3.4 風(fēng)速及風(fēng)能分析

如圖2 所示，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該地區(qū)風(fēng)速頻率主要集中在2 m/s~9 m/s，風(fēng)能頻率主要集中在5 m/s~13 m/s，風(fēng)速主要集中在低風(fēng)速段，風(fēng)電場風(fēng)機(jī)選型推薦為單位千瓦掃風(fēng)面積大的風(fēng)機(jī)。

圖2 風(fēng)能風(fēng)向頻率

在輪轂高度處，測風(fēng)塔平均風(fēng)速為5.48 m/s，平均風(fēng)能密度為206W/m2，如圖3 所示主風(fēng)向?yàn)閃SW，次風(fēng)向?yàn)镹，主風(fēng)能方向主要集中在正北方向（N），風(fēng)能方向相對集中，在主N 方向風(fēng)能密度出現(xiàn)頻率為26.4%。

圖3 風(fēng)向風(fēng)能玫瑰圖

圖4 為風(fēng)場區(qū)風(fēng)速及風(fēng)功率年變化圖，該項(xiàng)目所在地全年內(nèi)5 月份風(fēng)速較大，在7—9 月風(fēng)速相對較小，全年春夏季風(fēng)速大，冬秋略小。

圖4 風(fēng)速風(fēng)能年變化圖

3.5 風(fēng)切變分析

在大氣邊界層中，平均風(fēng)速隨高度發(fā)生變化，其變化規(guī)律稱為風(fēng)切變；切變指數(shù)表示風(fēng)速在垂直于風(fēng)向平面內(nèi)的變化，其大小反映風(fēng)速隨高度增加的快慢，切變的大小取決于測風(fēng)塔位置的地表粗糙度和大氣的穩(wěn)定程度。該風(fēng)電場切變值計(jì)算結(jié)果見表4。

表5 測風(fēng)塔輪轂高度50 年一遇（10min）最大風(fēng)速（Vref50）

利用冪指數(shù)函數(shù)對測風(fēng)塔風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律進(jìn)行擬合，該項(xiàng)目場址所在地綜合切變?yōu)?.467。

3.6 湍流強(qiáng)度分析

湍流強(qiáng)度是描述風(fēng)速隨時(shí)間和空間變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對強(qiáng)度，是風(fēng)速、風(fēng)向及其垂直分量迅速擾動(dòng)或不規(guī)律性，是重要的風(fēng)況特征。風(fēng)電場湍流強(qiáng)度非常重要，其對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能有不利的影響，主要是減少輸出功率，還可能引起極端載荷，最終削弱和破壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

根據(jù)風(fēng)電場測風(fēng)塔各測風(fēng)高度測得10 min 風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差和10 min 平均風(fēng)速，可以計(jì)算得到各測風(fēng)高度處10 min湍流強(qiáng)度，10 min 湍流強(qiáng)度如公式（3）所示[1]。

式中：σ為10 min 風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差，m/s；V為10min 平均風(fēng)速，m/s。

根據(jù)2 座測風(fēng)塔實(shí)測數(shù)據(jù)分析，測風(fēng)塔各高度的湍流強(qiáng)度如圖5 所示。

圖5 測風(fēng)塔輪轂高度的湍流曲線

通過圖5，可以判斷該風(fēng)電場的湍流較小，同時(shí)，隨著高等增加，湍流強(qiáng)度降低。該項(xiàng)目所在區(qū)域適合安裝湍流等級為IEC C 類及以上等級的風(fēng)電機(jī)組。

3.7 50年一遇（10min）極大風(fēng)速

在軟件分析部分，有極限風(fēng)速分析模塊，軟件根據(jù)測風(fēng)數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以得到歐洲標(biāo)準(zhǔn)下的極限風(fēng)速統(tǒng)計(jì)值（極值函數(shù)Exact、Gumbel（耿貝爾）、Davenport（達(dá)文波特））。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ[1]可知，當(dāng)威布爾參數(shù)K≥1.77 時(shí)，也可以用5 倍平均風(fēng)速法計(jì)算。

由以上分析可知，風(fēng)電場輪轂高度50 年一遇最大風(fēng)速分別為27.75 m/s，換算到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下為27.54 m/s。綜上所述，該風(fēng)電場50 年一遇最大風(fēng)速為27.54 m/s。因此可以初步判斷該風(fēng)電場50 年一遇最大風(fēng)速屬于IEC61400-1 標(biāo)準(zhǔn)III 類。

3.8 風(fēng)資源綜合評價(jià)

風(fēng)資源綜合評價(jià)如下：1）該風(fēng)電場的空氣密度為1.22 kg/m3。2）測風(fēng)塔擬合切變?yōu)?.476，項(xiàng)目切變較大。3）場區(qū)內(nèi)測風(fēng)塔主風(fēng)向?yàn)镹、WSW，主風(fēng)能方向?yàn)镹，主風(fēng)能方向?yàn)镹W。主風(fēng)能方向相對集中。4）風(fēng)電場的湍流較小，同時(shí)隨著高等增加，湍流強(qiáng)度降低。該項(xiàng)目所在區(qū)域適合安裝湍流等級為IEC C 類及以上等級的風(fēng)電機(jī)組。5）風(fēng)電場輪轂高度50 年一遇最大風(fēng)速分別為27.45 m/s，因此可以初步判斷該風(fēng)電場50 年一遇最大風(fēng)速屬于IEC61400-1 標(biāo)準(zhǔn)III 類，適用III 類風(fēng)機(jī)。風(fēng)資源綜合評估為風(fēng)力機(jī)選型提供依據(jù)，是機(jī)組選型重要前提，綜上分析，初步判斷場區(qū)適宜IECIII C 類以上等級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

4 風(fēng)電機(jī)組排布方案

4.1 風(fēng)電機(jī)組選型及布置

風(fēng)機(jī)選型要從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和施工等多方面綜合考慮，從發(fā)電量、度電成本、投資回報(bào)率和內(nèi)部收益等方面考慮，選定5.0 MW 機(jī)組進(jìn)行布置，50 MW 項(xiàng)目容量，正選點(diǎn)位10個(gè)，備選1 個(gè)。具體布局如圖6 所示。

圖6 單機(jī)容量為5.0 機(jī)組布置方案

4.2 WT 軟件參數(shù)設(shè)置

該工程采用法國美迪的Meteodyn WT 進(jìn)行的發(fā)電量計(jì)算，相關(guān)模型參數(shù)見表6。

表6 Meteodyn WT 計(jì)算模型參數(shù)表

法國美迪的Meteodyn WT 軟件采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對工程實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)測算，該軟件可以對中尺度場區(qū)通過增大水平及垂直分辨率達(dá)到降尺度模擬計(jì)算，得到整個(gè)場區(qū)的流場狀態(tài)，可有效降低由于場區(qū)過大或地形復(fù)雜帶來的發(fā)電量評估的不確定性。在WT 軟件中載入風(fēng)場區(qū)地形及粗糙度數(shù)據(jù)，通過定義繪圖區(qū)域及測風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行定向模擬計(jì)算,該方法可以修正地形過度平滑導(dǎo)致的誤差，根據(jù)場區(qū)模擬計(jì)算結(jié)果（湍流強(qiáng)度、入流角、風(fēng)加速因數(shù)）也可選擇風(fēng)電場中最具代表性的位置來設(shè)立測風(fēng)塔。該工程采用WT 軟件對風(fēng)電場發(fā)電量進(jìn)行模擬計(jì)算，在定向計(jì)算完成后進(jìn)行綜合計(jì)算，綜合計(jì)算需要輸入湍流校正、空氣密度、海拔等參數(shù)，可根據(jù)多塔計(jì)算結(jié)果互推進(jìn)行模型驗(yàn)證，該方法可以準(zhǔn)確的計(jì)算風(fēng)電場發(fā)電量。

在WT 進(jìn)行項(xiàng)目發(fā)電量計(jì)算完成后，會(huì)輸出電量表，主要從威布爾系數(shù)、尾流效應(yīng)折減、風(fēng)切變及發(fā)電量等方面綜合分析，多方位且準(zhǔn)確地評估每個(gè)機(jī)位點(diǎn)發(fā)電量情況，極限風(fēng)速及湍流造成的折減，對風(fēng)機(jī)安全性布置及發(fā)電量優(yōu)化提升具有重要的參考價(jià)值。

5 結(jié)論

在風(fēng)電項(xiàng)目前期階段，測風(fēng)數(shù)據(jù)的精確分析對項(xiàng)目可行性判斷、風(fēng)機(jī)選型、風(fēng)電場機(jī)組合理性布置及經(jīng)濟(jì)性評具有重要的意義。在數(shù)據(jù)分析過程中，要充分考慮數(shù)據(jù)合理性及相關(guān)性；采用Windographer 軟件可以對風(fēng)能各參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地計(jì)算，在數(shù)據(jù)處理過程中，該軟件具有更高的適用性，采用WT 軟件對風(fēng)電場進(jìn)行每個(gè)機(jī)位點(diǎn)進(jìn)行分析，該文采用Windographer 軟件加WT 軟件對風(fēng)電場風(fēng)資源評估及發(fā)電量計(jì)算方法，對后期風(fēng)電項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。