何如等

摘 要：利用桂林氣象站經(jīng)過一致性訂正后的年最大風速資料，采用極值I型分布函數(shù)推算出桂林氣象站50年一遇最大風速作為基本風速，根據(jù)風電場測風塔連續(xù)完整一年的實測最大風速資料，通過建立氣象站與測風塔之間的相關關系，采用比值法將基本風速推算得出風電場各高度的設計風速。結果表明：桂林氣象站10m高度50年一遇最大風速為20.3m/s；桂林氣象站與測風塔70m高度的最大風速的比值為1.536；測風塔50m、70m、80m高度50年一遇最大風速分別為30.0m/s、31.2m/s和31.6m/s；風電場近似輪轂高度（80m）標準空氣密度下50年一遇最大風速為29.1m/s，建議風電場采用Ⅲ類風電機組。

關鍵詞：風電場；設計風速；極值I型；一致性訂正

前言

風電場50年一遇最大風速作為風能資源評估中一個重要的設計參數(shù)，是決定風電機組極限載荷的關鍵指標，也是風電項目開發(fā)中機組選型和經(jīng)濟評估的關鍵指標之一[1-3]。根據(jù)風能資源評估的要求[4]，需要在風電場場址處設立測風塔開展至少連續(xù)一年的現(xiàn)場觀測。由于測風塔觀測的時間較短，需要結合附近具有代表性的氣象站的長期觀測資料來進行風資源分析。目前，風電項目的評估大多數(shù)通過建立參證氣象站與測風塔風速的相關性，由氣象站歷年最大風速序列作為基礎，推算風電場50年一遇最大風速[5-8]。隨著全球氣候變暖和城市化的加劇，氣象站周邊觀測環(huán)境遭到了比較嚴重影響，對氣象站歷年最大風速序列進行一致性訂正，能更好地反映該區(qū)域長年代風環(huán)境的變化特征。文章以桂林地區(qū)某風電場為例，探討了基于氣象站長期觀測資料一致性訂正基礎上，采用極值I型分布函數(shù)推算風電場50年一遇最大風速的方法，為風電場的最大風速設計提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

收集桂林地區(qū)某風電場內(nèi)一座70m高測風塔2012年4月1日00：00（北京時，下同）～2013年3月30日23：50實測的逐日10min平均最大風速資料，測風塔海拔高度為1358m，測風塔在距地70m、50m、30m與10m高度層安裝有風速儀，在70m、10m高度安裝有風向儀。

風電場鄰近的長期觀測氣象站為桂林氣象站，屬國家基本氣象站，無遷站記錄。該站位于風電場的西北部，二者距離45km。桂林氣象站觀測場海拔高度為164.4m，風速風向觀測儀距地10.5m。桂林氣象站自1971年開始對10min平均最大風速進行觀測，滿足《建筑結構荷載規(guī)范》[9]中對資料年限的要求：“選取的年最大風速數(shù)據(jù)，一般應有25年以上的資料”。收集該站1971～2012年10min平均年最大風速及與測風塔同期觀測的逐日最大風速數(shù)據(jù)。

1.2 思路和方法

1.2.1 基本思路和步驟

首先建立氣象站歷年最大風速序列，并對其進行一致性訂正；采用極值I型概率分布函數(shù)計算出氣象站50年一遇10min平均最大風速作為基本風速；建立氣象站與測風塔同期最大風速序列之間的相關關系，采用比值法對測風塔50年一遇10min平均最大風速進行推算；采用冪指數(shù)法推算風電場不同高度上的設計風速。

1.2.2 氣象站風速一致性訂正方法

為了使桂林氣象站年最大風速具有可比性，需要對其歷年最大風速序列進行一致性訂正。根據(jù)歷史沿革情況，對歷年最大風速序列分別進行高度訂正、儀器訂正和環(huán)境訂正，方法如下：

（1）高度訂正。按《建筑結構荷載規(guī)范》[9]的規(guī)定，將歷年的測風高度統(tǒng)一訂正到10m高度，其表達式為：

（2）測風儀器和環(huán)境訂正。利用更換儀器前后各一年風速資料，利用t檢驗方法進行風速差異性檢驗，其公式為：

式（2）中：x1、s1、n1和x2、s2和n2分別為更換儀器前和儀器更換后樣本資料的平均值、標準差和樣本數(shù)。取信度α=0.01，如果tα>|t|，說明兩次儀器更換前后兩個樣本差異不明顯，不需要進行測風儀器的訂正，否則需要訂正，訂正方法采用《風電場氣象觀測及資料審核、訂正技術規(guī)范》[10]推薦的比值法。

對氣象站周邊環(huán)境變化較大年份的風速數(shù)據(jù)也采用上述方法進行檢驗和訂正。

1.2.3 極值I型推算方法

風速極值的重現(xiàn)期計算一般有四種方法：極值I型分布、對數(shù)正態(tài)分布、Weibull分布和皮爾遜Ⅲ型分布。采用國家規(guī)范《建筑結構荷載規(guī)范》[9]推薦的極值I型分布函數(shù)，計算50年一遇10min平均最大風速。

1.2.4 氣象站與測風塔風速的比值推算

由于測風塔資料年代短，不具備進行概率計算的條件，一般利用氣象站的長年代測風資料推算出的基本風速換算到測風塔所在地。訂正方法采用《風電場氣象觀測及資料審核、訂正技術規(guī)范》[10]推薦的比值法，測風塔風速y與氣象站風速x之間構成以下關系：

2 結果與分析

2.1 氣象站最大風速推算

圖1為桂林氣象站1971～2012年經(jīng)過訂正前后的歷年最大風速變化圖。從桂林氣象站實測的年最大風速來看，1977年以前、1985年以后風速偏小，根據(jù)歷史沿革記錄和現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，這是由于氣象站更換儀器和觀測場隨著城市化發(fā)展周圍環(huán)境發(fā)生變化造成的。

為了使桂林氣象站年最大風速序列具有可比性，根據(jù)其歷史沿革情況及相應歷史平行觀測記錄，對桂林氣象站歷年最大風速序列分別進行高度訂正、儀器訂正和環(huán)境變化訂正，訂正后的歷年最大風速序列見圖1。

利用桂林氣象站1971～2012年共計42年經(jīng)過一致性訂正后的10m高度10min平均年最大風速序列，采用極值I型分布方法，對桂林氣象站的基本風速概率進行推算，得到桂林氣象站50年一遇最大風速為20.3m/s。

2.2 測風塔與氣象站相關檢驗和比值推算

由于大風和小風狀況的相關關系明顯不同，而抗風設計主要關注大風，因而，在滿足統(tǒng)計樣本數(shù)量的前提下，篩選測風塔的大風速樣本，并對測風塔和桂林氣象站同期最大風速樣本進行相關檢驗和比值推算。

從測風塔70m高度處最大風速序列中選取日最大風速≥10.8m/s（6級）的大風樣本，與相同時段桂林氣象站的109個風速樣本進行相關分析，二者的相關系數(shù)為0.720，通過0.01的信度檢驗，測風塔與氣象站的大風風速樣本比值為1.536。測風塔70m高度與桂林氣象站最大風速相關性檢驗結果見表1和圖2。

表1 測風塔70m高度與桂林氣象站最大風速相關性檢驗參數(shù)

2.3 測風塔設計風速的估算

利用測風塔70m高度與氣象站同時期的觀測資料計算得到的比值（1.536），將桂林氣象站50年一遇最大風速乘以該比值，從而得到測風塔70m高度50年一遇最大風速，為30.0m/s。

由于工程抗風計算更關注大風狀況時的特性，根據(jù)測風塔各層大風樣本的實測風速值，選取測風塔10高度一小時平均風速≥10.8m/s的樣本資料，根據(jù)冪指數(shù)公式采用最小二乘法計算得到大風狀況的風切變指數(shù)為0.112。結合測風塔70m設計風速推算結果采用冪指數(shù)公式，從而推算出測風塔距地10m～200m高度層50年一遇最大風速，結果見表2。

2.4 風電場風機選型推薦

風電場場址處70m高度空氣密度為1.034kg/m3，將上述推算的測風塔設計風速結果換算到標準空氣密度下各高度上的50年一遇最大風速（見圖2）。根據(jù)IEC國際風機分類標準[1]（表3），測風塔80m高度（近似為輪轂高度）標準空氣密度下50年一遇最大風速為29.1m/s，小于37.5 m/s，故建議該風電場采用Ⅲ類風電機組。

3 結束語

（1）采用桂林氣象站1971～2012年歷年最大風速序列，經(jīng)過一致性訂正后，利用規(guī)范推薦的極值I型分布方法，計算得到桂林氣象站10m高度50年一遇最大風速分別為20.3m/s。（2）桂林氣象站與測風塔70m高度處的最大風速的比值為1.536，風電場場址處大風狀況的風切變指數(shù)為0.112，由此計算得到測風塔不同高度50年一遇最大風速，其中50m、70m、80m分別為30.0 m/s、31.2m/s和31.6 m/s。（3）該風電場近似輪轂高度（80m）標準空氣密度下50年一遇最大風速為29.1m/s，根據(jù)IEC國際風機分類標準，建議該風電場采用Ⅲ類風電機組。

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作者簡介：何如（1983-），女，侗族，廣西柳州人，碩士研究生，從事氣象能源開發(fā)與氣候應用服務研究。