測風塔和測風數據合理性評估的實例分析

文 | 史剡烽 畢廣明 鄭亮

測風塔和測風數據合理性評估的實例分析

文 | 史剡烽 畢廣明 鄭亮

2013年5月15日，國務院《關于取消和下放一批行政審批項目等事項的決定》指出企業投資風電站項目(總裝機容量50MW及以上項目)核準權限由國家發展改革委下放到地方政府投資主管部門。自此在我國風電場開發建設中，為了節約核準成本和降低核準難度的裝機容量49.5MW項目將逐漸消失，隨之而來的風電場最佳開發規模問題浮出。

風電場年上網電量是決定風電項目收益的最重要指標，也是影響最佳開發規模的重要因素。為了在項目前期決策階段更加準確的判斷風電場規模和收益，風能資源和項目成本評估工作精確性必須進一步提高。隨著風電場建設由“三北”和“沿海”平坦地區轉向中部、西南及南方等山地區域，風能資源評估工作變得日益復雜。

評估依據及特點

目前風能資源評估采用的依據包括《風電場風能資源評估方法》、《風電場風能資源測量方法》以及《全國風能資源評價技術規定》（以下分別簡稱《評估方法》、《測量方法》和《技術規定》）等。

《評估方法》是目前設計人員進行風電場風能資源評估的主要依據。《評估方法》的合理性分析包括范圍檢驗、相關性檢驗和趨勢檢驗三類。對于風速風向而言，就是規定了數值的合理取值范圍，提供了同時刻不同高度間風速風向的參考差值，以及前后時刻記錄值的參考變化量，其數據判斷時間節點為本時刻或本時刻與下一時刻，間隔多為短期。

《測量方法》規定了風電場進行風能資源測量的方法，包括測量位置、測量參數、測量儀器及其安裝、測量數據的采集等。風電場風能資源測量方法中對于測風塔及其設備的安裝有詳細的規定，在執行性方面卻存在一些變數。設備安裝過程中，支架朝向的選取常以當地氣象站的多年主導風向為參考，而高山地區風向的垂直分布復雜多變，安裝方面的疏忽可能給評估工作帶來諸多影響。

《技術規定》主要是以現有氣象臺站的測風數據為基礎，通過整理、分析，對全國風能資源的大小和分布進行評價。其中一部分重要內容為氣象站多年資料的收集，規定中對氣象站多年資料中觀測環境的記錄有要求，對于多年平均值的選取則連同評估方法一樣，未作明確的說明。隨著我國經濟的飛速發展，多數臺站的觀測環境已經大異于從前，有些只能搬遷以滿足觀測要求，而觀測設備的變更則更為普遍。這種情況下，臺站觀測資料直接用于長期修正，其可靠性值得商榷。

實例分析

在我們開展前期和建設期咨詢設計的風電場項目中，僅僅依據《評估方法》等進行短期數據的合理性判定時，數據分析結果并不能有效反映數據的合理性；測風塔設備或安裝的問題也時常給評估工作帶來很多不利因素；對于氣象站多年資料的選取對評估工作也有不小的影響。下文中，我們以安徽、湖南、廣西及云南等地的項目為例進行說明。

一、測風塔位置和風速

湖南某項目場區內設立了四座測風塔，其中0003#測風塔獲得了兩個坐標值，短期內沒有現場確認的可能，給評估工作帶來很大的不確定性。項目測風塔位置如圖1所示。

為此，采用軟件在測風塔間相互推算切變值的方法，并通過與實測值比較來初步確認測風塔的實際位置。從表1中可以發現，不同測風塔推算的同一位置的切變值盡管有一定差別，但總體接近，與實測值也較為一致，可見該方法具有一定的參考性。通過比較0003#測風塔位置1和位置2以及實測的切變值，初步判定位置2為實際位置，并依此開展資源評估工作。后續經現場確認，與實際位置相符。

同為該項目，四座測風塔平均風速對比中，0004#測風塔風速明顯高于其他三座塔。依據《評估方法》，未發現數據異常。考察四座塔的Weibull分布參數時，發現0004#測風塔的K值明顯高于其余三座塔，如表2所示，判定該測風塔設備可能發生故障。后續經設備更換，其K值與其余測風塔接近。

在場區只有單測風塔的情況下，雖然其各項參數均滿足《評估方法》的要求，而該塔風速確存在問題，若將該塔用于資源評估，勢必影響對場區資源狀況的判斷，干擾對風電場的投資決策。該項目中，多測風塔的優勢得以顯現。不僅在風速判斷上，還在測風塔位置的判斷上得到較好的體現。對于復雜地區的風能資源評估，除在測風設備選用和安裝時應嚴格按照相關規定外，更建議在場區內選立多個測風塔。

二、測風塔風向

安徽某項目場區呈長條狀山脊，測風塔位于山脊頂部，地勢開闊，四周均無遮擋。依據《評估方法》，對于單測風塔而言，風向數據的合理性分析，主要包括數據范圍和不同高度間的相關性檢驗。

圖1 湖南某項目測風塔位置示意圖

圖2 安徽某項目測風塔風向玫瑰圖（左70m，右10m）

表1 湖南某項目風切變實測與推算值

表2 湖南某項目測風塔風速與Weibull分布參數

分析測風塔70m和10m高度風向分布，如圖2所示。70m和10m主導風向均為NNE，兩個高度逐時風向相關性檢驗亦符合《評估方法》中的規定。分析當地氣象站數據，發現該地區多年主導風向為東南和西北，與測風數據差異很大。經現場對測風設備檢測后，發現風向儀已經故障。更換設備后的風向結果與當地氣候狀況較為一致。該實例是基于自身分析無法判定的特例。

廣西某項目屬于典型山地風場，場區內共設立三座測風塔，沿山脊排布。其中0001#塔和0002#塔測風時段較長，0003#塔數據較少。同時0002#塔由于受冰凍影響，存在部分缺測數據，因此0001#測風塔以其測風時段長度和數據完整性成為主要參考塔。項目測風塔位置如圖3所示。

圖3 廣西某項目測風塔位置示意圖

圖4 廣西某項目0001#塔和0002#塔風向玫瑰圖

在風向分析中，如圖4所示，0001#測風塔風向主要出現在NNW，0002#測風塔主要出現在NNW和S，測風時間較短的0003#測風塔，風向主要出現在N、S、NNW和SSE扇區。0001#塔和其余兩塔有明顯區別。

現場情況看，0001#測風塔所在位置西北方向海拔逐漸增加，測風塔受遮擋情況嚴重，其余方向無遮擋，測風塔周邊地形如圖5所示。結合周邊測風塔數據情況與近期更換風向儀后的數據，該塔之前70m高度風向數據可能存在錯誤。

風向相比風速容易被忽略，卻極大得影響風電場的風電機組排布，同時對風電場的發電量尤其是山地風電場的發電量影響甚大，其影響幅度甚至可能達到50%。風向問題的原因包括設備故障以及安裝時無正北校正等。單測風塔情況下，可以根據當地氣象站，結合區域氣候特點以及再分析數據等判斷風向數據的合理性。多測風塔情況下，可在此基礎上增加測風塔間的相互驗證以判斷數據合理性。

三、測風塔湍流強度和入流角

湍流強度和入流角，以其對風場發電量和風電機組安全性的影響，越來越為大家所重視。本節以湍流強度為例進行說明，其處理方法也為入流角問題提供了借鑒。

云南某項目屬于高山風電場，測風塔位于山脊，現場情況如圖6所示。依據測風數據計算場區資源分布，并進行風電機組排布。在分析風電機組各項風能參數時，發現相當部分機位的湍流強度值超過風電機組安全指標。分析測風塔湍流強度時，未出現湍流突增現象，而是整體湍流強度偏大。

現場踏勘發現，該測風塔測風設備的安裝方向以當地氣象站的風向為參照，而高山場區的盛行風向與之差異較大，結果造成該測風數據受塔影效應影響，未能真實反映場區的風流狀況。為此，測風塔設備安裝時，除考慮氣象站外，也應結合場區實際做適應性調整。

四、氣象站多年數據

風電場需要長期運行，多數測風塔往往只有一年的數據。氣象站多年數據在一定程度上彌補了這個缺陷。然而隨著遷址、觀測環境變化以及觀測設備變更等因素不斷出現，給氣象站多年數據的使用帶來了諸多不確定性。

山東某項目測風數據經氣象站修正后高于預期，限制了機型選擇空間。在對所選用氣象站的觀測環境與設備使用情況考察后，選取了觀測環境較為一致的時段，并將數據做歸一化處理，氣象站現場情況如圖7所示。以處理后的多年數據修正風電場測風數據。改善后的計算結果，擴大了機型選擇空間，在滿足機組安全性前提下，更有效地利用當地資源，提高風電場的發電量。

圖5 廣西某項目0001#測風塔周邊地形

圖6 云南某項目測風塔

圖7 山東某項目氣象站

結語

當前國家的政策和風電開發形勢，使得風電場前期的資源評估工作愈發重要，要求也愈發細致，評估工作的難度也相應越來越大。

目前評估工作中主要參照的評估方法，其數據判斷時間節點多為短期，通過實際評估經驗來看僅僅進行此項判斷，不能有效反映數據的合理性；測風塔安裝設備方面的問題給評估帶來很多不利因素；此外，氣象站長期資料的選取也對評估工作有不小的影響。

單測風塔風向實例屬于無法通過自身分析判定的特例，需結合考慮當地氣象站、區域氣候特點及再分析數據等進行驗證；多測風塔在風向、風速數據判別中的優勢，在多個實例中得以體現，結合軟件進行的相互驗證則為數據的合理性判別提供了另外的途徑。

實例中測風設備的安裝方位導致湍流記錄值偏大，源自山區風場中氣象站與場區風流狀況的差異。為此，在測風設備安裝過程中，除嚴格按照國家規定外，也應該根據當地實際作適應性調整。

實例中多年氣象站資料對測風數據的修正，影響了機型選擇范圍。多年資料包含了觀測環境，儀器變更和站址變遷施加的影響，使用時需加以考察并做歸一化處理，以整理出相對合理的長期數據。

(作者單位：北京聚合電力工程設計有限公司)