張澤慧，康 莊

河南省商丘市氣象局，河南商丘 476000

風(fēng)能是提高低碳能源產(chǎn)量的可行選擇,可再生能源需求的持續(xù)增長要求擴(kuò)大風(fēng)電場規(guī)模，并安裝在風(fēng)力資源豐富的地方。對于風(fēng)電場最佳位置的規(guī)劃和選擇需要多個領(lǐng)域的專業(yè)知識[1]。我國的風(fēng)能資源豐富，開發(fā)前景十分廣闊[2]。風(fēng)能資源評估是風(fēng)能資源開發(fā)中一項極其重要的基礎(chǔ)性工作，是確定風(fēng)電場選址、裝機(jī)容量及布置的依據(jù)[3]。由于風(fēng)能會受到地理位置、地形條件以及氣候狀況的影響，因此計算各種風(fēng)能參數(shù)必須科學(xué)、準(zhǔn)確。正確評估風(fēng)能已成為氣象學(xué)科中一個重要課題。

民權(quán)縣位于河南省東部地區(qū)，地形平坦，風(fēng)能資源較豐富，具有一定的開發(fā)利用價值。利用河南省商丘市民權(quán)縣風(fēng)電場2座測風(fēng)塔觀測資料，根據(jù)相關(guān)風(fēng)能資源技術(shù)規(guī)范，對民權(quán)風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)能資源狀況進(jìn)行了評估分析，為合理有效地開發(fā)利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源提供科學(xué)依據(jù)，對有關(guān)部門制定風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃具有重要意義[4]。

1 民權(quán)風(fēng)電場概況

民權(quán)縣位于河南省東部，地處豫東平原，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，受季風(fēng)氣候的影響，可再生性風(fēng)能資源豐富。河南華電商丘民權(quán)100 MW風(fēng)電場位于河南省商丘市民權(quán)縣西北部的平原區(qū)域，海拔在55～75 m之間，屬平原風(fēng)電場。場址內(nèi)地形平坦開闊，交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，運(yùn)輸和安裝條件較好。場內(nèi)共安裝了32臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中，18臺單機(jī)容量為3.0 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、14臺單機(jī)容量為3.3 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)機(jī)葉片長度均為80 m，輪轂高度為140 m，風(fēng)電場年上網(wǎng)電量為27 374萬kW·h，平均單機(jī)年上網(wǎng)電量為684萬kW·h。風(fēng)電場提供清潔無污染能源，符合環(huán)保要求。與相同發(fā)電量的火電相比，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約8.485 9萬t，每年可減少SO2排放量約1.801萬t、CO2約4.106萬t、NOx排放量約1 546.631 t、節(jié)水84.859 4萬m3。有害物質(zhì)排放量的減少，減輕了大氣污染，發(fā)揮了節(jié)能和環(huán)保的作用，對地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)巨大[5]。

本工程為可再生能源項目，是國家鼓勵發(fā)展的能源項目，不耗費(fèi)能源資源，符合國家能源發(fā)展戰(zhàn)略要求。工程建成后，每年可向電網(wǎng)輸送 28 395萬 kW·h的上網(wǎng)電量，可改善電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)，有利于當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。本工程的建設(shè)有利于當(dāng)?shù)貏趧恿κ袌龊徒ú氖袌龅姆睒s，增加社會就業(yè)機(jī)會。工程建成后，可為地方帶來較多的稅收，有利于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)來源及評估方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來自河南華電商丘民權(quán)100 MW風(fēng)電項目2座測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)。場區(qū)范圍內(nèi)及其附近共設(shè)立2座測風(fēng)塔，編號分別為1#、2#，2座測風(fēng)塔的距離約為10 km。各測風(fēng)塔塔高均為150 m，均觀測有風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓等項目。觀測記錄為每10 min一個，每一個觀測儀器占用一個記錄通道。每一個記錄通道記錄有10 min之內(nèi)的平均值、方差、最大值、最小值共4項。

測風(fēng)塔觀測內(nèi)容有風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓及溫度等。風(fēng)速參數(shù)采樣時間間隔為1 s，自動計算并記錄每10 min的平均風(fēng)速和每10 min的風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差值；極大風(fēng)速為每3 s采樣一次的風(fēng)速的最大值，每10 min自動記錄；風(fēng)向參數(shù)采樣時間間隔為1 s，并自動計算和記錄每10 min的風(fēng)向值、風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)偏差。每10 min采樣并記錄溫度參數(shù)和大氣壓力參數(shù)。

收集到1#和2#測風(fēng)塔自2019年6月1日00:00～2020年5月31日23:50時段的完整年數(shù)據(jù)。鑒于2座測風(fēng)塔風(fēng)速觀測通道較多，結(jié)合測風(fēng)塔選取的代表年時段觀測高度，以及目前主流風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪距地面最低高度在30 m以上、輪轂高度在90 m以上，因此重點(diǎn)分析了150、140、130、120、100、90、70、50 m這8個通道，風(fēng)向重點(diǎn)分析150、120和100 m這3個通道。

2.2 數(shù)據(jù)處理

使用國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》（GB/T 18710—2002），測風(fēng)數(shù)據(jù)處理包括對數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、訂正，并計算評估風(fēng)能資源所需要的參數(shù)。數(shù)據(jù)驗(yàn)證是檢查風(fēng)場測風(fēng)獲得的原始數(shù)據(jù)，判斷其完整性和合理性，檢驗(yàn)出不合理的數(shù)據(jù)和缺測的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，整理出至少連續(xù)一年完整的風(fēng)場逐小時測風(fēng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)檢驗(yàn)包括：完整性檢驗(yàn)、合理性檢驗(yàn)、不合理數(shù)據(jù)和缺測數(shù)據(jù)的處理。檢驗(yàn)后列出所有不合理的數(shù)據(jù)、缺測的數(shù)據(jù)及其發(fā)生的時間，再次對不合理數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，挑出符合實(shí)際情況的有效數(shù)據(jù)，回歸原始數(shù)據(jù)組。將備用的或可供參考的傳感器同期記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，替換已確認(rèn)為無效的數(shù)據(jù)或填補(bǔ)缺測的數(shù)據(jù)。計算測風(fēng)有效數(shù)據(jù)完整率應(yīng)達(dá)到90%。經(jīng)過各種檢驗(yàn)，剔除掉無效數(shù)據(jù)，替換有效數(shù)據(jù)，整理出至少連續(xù)一年的風(fēng)場實(shí)測逐小時風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)訂正是根據(jù)風(fēng)場附近長期測站的觀測數(shù)據(jù)，將驗(yàn)證后的風(fēng)場測風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為一套反映風(fēng)場長期平均水平的代表性數(shù)據(jù)，即風(fēng)場測風(fēng)高度上代表年的逐小時風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。

根據(jù)風(fēng)電場觀測的數(shù)據(jù)和氣象參證站與測風(fēng)塔同期數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系，通過完整性檢驗(yàn)、范圍檢驗(yàn)，并進(jìn)行插補(bǔ)訂正，得到完整一年的測風(fēng)數(shù)據(jù)資料。經(jīng)檢驗(yàn)，氣壓觀測10 min值低于檢驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)較多，氣壓觀測基本無效，其他均未違反以上檢驗(yàn)判別標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 評估方法

2.3.1 空氣密度根據(jù)測風(fēng)塔觀測資料分析可知，2座測風(fēng)塔進(jìn)行了氣溫、氣壓觀測，但氣壓觀測值無效，本次依據(jù)收集到的觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合海拔推算場址區(qū)空氣密度[6]。根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》，計算公式為：

式（1）中，ρ表示空氣密度，單位：kg/m3；T表示年平均開氏溫標(biāo)絕對溫度，單位：℃+273；z表示風(fēng)電場海拔高度，單位：m。

由于測風(fēng)塔的氣溫觀測高度與風(fēng)電場預(yù)裝輪轂高度高程有一定差異，用經(jīng)驗(yàn)公式推算風(fēng)電場其他高度空氣密度：

式（2）中，ρz2表示風(fēng)電場其他高度處空氣密度，單位：kg/m3；ρz1表示實(shí)際觀測高程的空氣密度，單位：kg/m3；z2表示風(fēng)電場其他任何一高度，單位：m；z1表示實(shí)際觀測點(diǎn)高程，單位：m。

2.3.2 平均風(fēng)功率密度平均風(fēng)功率密度指單位面積上的風(fēng)能，是表征某地區(qū)風(fēng)能資源的重要指標(biāo)。平均風(fēng)功率密度計算公式：

式(3)中，Dwp表示設(shè)定時段的平均風(fēng)功率密度，單位：W/m2；n表示設(shè)定時段內(nèi)的記錄數(shù)；ρ表示空氣密度，單位：kg/m3；vi表示第i個記錄風(fēng)速值，單位：m/s。

2.3.3 風(fēng)能頻率以1 m/s為一個風(fēng)速區(qū)間，統(tǒng)計各測風(fēng)塔各高度的風(fēng)速和風(fēng)能在不同風(fēng)速區(qū)間出現(xiàn)的頻率。

2.3.4 湍流強(qiáng)度湍流是指風(fēng)速、風(fēng)向及其垂直分量的迅速擾動或不規(guī)律性，是重要的風(fēng)況特征和評價氣流穩(wěn)定程度的指標(biāo)。湍流特征很重要，因?yàn)樗鼘︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能有不利影響，主要是降低輸出功率，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[7]。采用同時段平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)偏差來計算湍流強(qiáng)度。計算公式為：

式（4）中，IT表示湍流強(qiáng)度；σ表示10 min風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差，單位：m/s；V表示10 min平均風(fēng)速，單位：m/s。

2.3.5 風(fēng)切變指數(shù)風(fēng)切變指數(shù)可描述風(fēng)矢量在垂直方向上的空間變化情況[8]。風(fēng)切變指數(shù)采用如下公式計算：

式(5)中，α表示風(fēng)切變指數(shù)；v2表示高度z2處的風(fēng)速，單位：m/s；v1表示高度z1處的風(fēng)速，單位：m/s；z2表示任一高度；z1表示一般取10 m高度。

2.3.6 50年一遇最大風(fēng)速和50年一遇極大風(fēng)速在中緯度地區(qū)，當(dāng)Weibull分布的形狀參數(shù)k≥2.0時，可用5倍平均風(fēng)速計算50年一遇最大風(fēng)速[9]。計算公式如下：

式(6)中，V50max表示風(fēng)電場50年一遇最大風(fēng)速；Vave表示風(fēng)電場年平均風(fēng)速；c1表示經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值為5.0。

50年一遇極大風(fēng)速采用如下系數(shù)公式推算：

式(7)中，V50e表示風(fēng)電場50年一遇極大風(fēng)速；V50max表示風(fēng)電場50年一遇最大風(fēng)速；c2表示經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值為1.4。

3 風(fēng)能資源特性分析

3.1 空氣密度

依據(jù)收集到的觀測數(shù)據(jù)，利用公式（1）、（2）計算2座測風(fēng)塔各高度的空氣密度，結(jié)果見表1。由表1可知，2座測風(fēng)塔隨著高度的升高空氣密度都是增加的，即低層空氣密度大，高層空氣密度??；同一高度上，1#測風(fēng)塔空氣密度大于2#測風(fēng)塔空氣密度，即1#測風(fēng)塔空氣密度大，2#測風(fēng)塔空氣密度大。1#、2#測風(fēng)塔10 m高度空氣密度分別是1.213 8、1.209 3，150 m高度空氣密度分別是1.196 9、1.192 5 kg/m3。

表1 測風(fēng)塔各高度空氣密度

3.2 風(fēng)速和風(fēng)功率密度的年內(nèi)變化

根據(jù)2個測風(fēng)塔記錄的風(fēng)速值和上述公式計算的空氣密度，利用公式（3）計算各測風(fēng)塔各測風(fēng)高度的風(fēng)功率密度，得到各測風(fēng)塔各測風(fēng)高度的風(fēng)速和風(fēng)功率密度年內(nèi)變化情況。分析可知：2座測風(fēng)塔各測風(fēng)高度的風(fēng)速、風(fēng)功率密度年內(nèi)變化基本一致，2—5月風(fēng)速、風(fēng)功率密度較大，1月、7—9月風(fēng)速、風(fēng)功率密度較小。圖1為1#、2#測風(fēng)塔140 m代表高度風(fēng)速和風(fēng)功率密度年內(nèi)變化曲線圖。月風(fēng)功率密度最大月與最小月的差距較大，120 m高度風(fēng)功率密度最大月與最小月的比值分別為3.7、3.6，130 m高度風(fēng)功率密度最大月份與最小月份的比值分別為3.7、3.8，140 m高度風(fēng)功率密度最大月份與最小月份的比值分別為4.0、3.8，150 m高度風(fēng)功率密度最大月份與最小月份的比值分別為4.0、4.0。

圖1 1#、2#測風(fēng)塔140 m高度風(fēng)速和風(fēng)功率密度年內(nèi)變化曲線圖

3.3 風(fēng)速和風(fēng)功率密度日分布

從全年的日變化來看，各測風(fēng)塔各高度的風(fēng)速、風(fēng)功率密度日變化基本一致，總體呈波浪型，白天小、夜晚大；風(fēng)速、風(fēng)功率密度從06:00逐漸減小，在09:00～17:00較小，18:00以后逐漸增加，在22:00～次日02:00左右達(dá)到最大值。圖2為1#、2#測風(fēng)塔140 m高度風(fēng)速和風(fēng)功率密度日變化分布圖。

圖2 1#、2#測風(fēng)塔140 m高度風(fēng)速和風(fēng)功率密度日變化圖

3.4 風(fēng)速和風(fēng)能頻率分布

分析各測風(fēng)塔各風(fēng)速段風(fēng)速頻率、風(fēng)能頻率分布。

1#測 風(fēng) 塔50、70、90、100、12、130、140、150 m高度上有效風(fēng)速段的有效小時 數(shù) 分 別 為3 858、5 652、6 052、6 302、6 317、6 384、6 416、6 484 h，風(fēng)速頻率分別為43.9%、64.3%、68.9%、71.7%、71.9%、72.7%、73.0%、73.8%，風(fēng)能頻率分別為90.7%、96.0%、97.5%、98.0%、98.3%、98.7%、98.5%、98.7%。

2#測風(fēng)塔50、70、90、100、120、130、140、150 m高度上有效風(fēng)速段的有效小時數(shù)分別為4 850、5 853、6 114、6 175、6 456、6 404、6 519、6 465 h，風(fēng)速頻率分別為55.2%、66.6%、69.6%、70.3 %、73.5%、72.9%、74.2%、73.6%，風(fēng)能頻率分別為92.3%、96.1%、97.6%、97.7%、98.4%、98.4%、98.6%、98.8%。

圖3為1#、2#測 風(fēng) 塔140 m代 表高度風(fēng)速、風(fēng)能頻率分布圖。由圖3可知，在有效風(fēng)速段內(nèi)，風(fēng)速基本集中在3.5～11.4 m/s之間，風(fēng)能集中在3.5～13.4 m/s風(fēng)速段。

圖3 1#測風(fēng)塔（a）、2#測風(fēng)塔（b）140 m高度風(fēng)速與風(fēng)能頻率分布圖

3.5 風(fēng)向頻率和風(fēng)能密度方向分布

統(tǒng)計各測風(fēng)塔100、120、150 m高度全年風(fēng)向頻率和風(fēng)能密度方向分布，繪制全年風(fēng)向、風(fēng)能玫瑰圖，120 m代表高度風(fēng)向和風(fēng)能玫瑰圖見圖4。由圖4可見，1#測風(fēng)塔主風(fēng)向、主風(fēng)能風(fēng)向穩(wěn)定，多數(shù)集中于SSW扇區(qū)；2#測風(fēng)塔主風(fēng)向、主風(fēng)能風(fēng)向穩(wěn)定，多數(shù)集中于S扇區(qū)。綜合兩個測風(fēng)塔風(fēng)向分析，所在區(qū)域主風(fēng)能方向主要集中在SSW～S和N～NNE扇區(qū)，風(fēng)能較為集中，有利于風(fēng)機(jī)的排布、穩(wěn)定運(yùn)行和提高風(fēng)電場發(fā)電力。

圖4 1#測風(fēng)塔、2#測風(fēng)塔120 m高度風(fēng)向和風(fēng)能玫瑰圖

湍流強(qiáng)度用于度量相對于風(fēng)速平均值而起伏的湍流的強(qiáng)弱，對風(fēng)電場建設(shè)而言，主要關(guān)心的是大風(fēng)速對風(fēng)機(jī)的影響，較小的風(fēng)速對風(fēng)機(jī)的影響不大[10]。因此，分別選取4、12、15、18 m/s以上，以及風(fēng)速介于14.5～15.4、14.0～16.0 m/s之間的風(fēng)速，用公式（4）計算湍流強(qiáng)度。各測風(fēng)塔各高度平均湍流強(qiáng)度結(jié)果見表2。

表2 測風(fēng)塔各高度湍流強(qiáng)度

1#測風(fēng)塔各高度平均湍流強(qiáng)度在0.054～0.233之間，2#測風(fēng)塔各高度湍流強(qiáng)度在0.054～0.159之間。70 m高度上各風(fēng)速段湍流強(qiáng)度最大，120 m高度上風(fēng)速14.5～15.4 m/s時的平均湍流強(qiáng)度分別為0.128、0.120，120 m高度上、風(fēng)速14.0～16.0 m/s期間的平均湍流強(qiáng)度分別為0.131、0.105。按《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計要求》（GB/T 18451.1—2012/IEC61400-1:2005）標(biāo)準(zhǔn)，湍流強(qiáng)度等級為B級。

3.6 風(fēng)切變指數(shù)

利用公式（5）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。1#測風(fēng)塔各高度的風(fēng)切變指數(shù)在0.153～0.853之間，2#測風(fēng)塔各高度的風(fēng)切變指數(shù)在0.110～0.484之間，其中1#測風(fēng)塔100～120、100～140高度風(fēng)切變指數(shù)分別為0.153、0.249，2#測風(fēng)塔100～120、100～140 m高度風(fēng)切變指數(shù)分別為0.435、0.323。1#和2#測風(fēng)塔各高度風(fēng)切變擬合結(jié)果分別為0.259 7、0.191 1。

3.7 50年一遇最大風(fēng)速、極大風(fēng)速

利用公式（6）計算各測風(fēng)塔各高度50年一遇最大風(fēng)速，利用公式（7）計算各測風(fēng)塔各高度50年一遇極大風(fēng)速，計算結(jié)果見表3。由表3可知，2座測風(fēng)塔各高度50年一遇最大風(fēng)速、極大風(fēng)速分布規(guī)律一致，即隨著高度的上升最大風(fēng)速和極大風(fēng)速都是遞增的，但是在同一高度上，2#測風(fēng)塔比1#測風(fēng)塔數(shù)值大。1#測風(fēng)塔140 m 處的50年一遇最大風(fēng)速、極大風(fēng)速分別為28.1 m/s、39.2 m/s，2#測 風(fēng) 塔140 m 處 的50年一遇最大風(fēng)速、極大風(fēng)速分別為28.2、39.5 m/s，2座測風(fēng)塔數(shù)值接近，分別相差0.1、0.3 m/s（表3）。

4 結(jié)束語

利用民權(quán)縣風(fēng)電場2座測風(fēng)塔觀測資料，依據(jù)風(fēng)能資源技術(shù)方法，通過計算空氣密度、風(fēng)功率密度、風(fēng)能頻率、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)、50年一遇最大風(fēng)速和極大風(fēng)速等風(fēng)能參數(shù)，分析了當(dāng)?shù)馗黜楋L(fēng)能資源參數(shù)的變化規(guī)律及其特征。結(jié)果表明，風(fēng)速、風(fēng)功率密度年內(nèi)變化基本一致，日變化總體呈波浪形，白天小、夜晚大，有效風(fēng)速和風(fēng)能基本集中，風(fēng)場主風(fēng)向、主風(fēng)能風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)能較為集中，有利于風(fēng)機(jī)的排布、穩(wěn)定運(yùn)行和提高發(fā)電力，湍流強(qiáng)度為中等，50年一遇最大風(fēng)速均小于37.5 m/s。由此可見，當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源較好，具有一定的開發(fā)利用價值。