中國高海拔地區(qū)風(fēng)能資源特性與風(fēng)電開發(fā)研究

文 | 崔冬林，胡威，李小兵，鮑婧

中國高海拔地區(qū)風(fēng)能資源特性與風(fēng)電開發(fā)研究

文 | 崔冬林，胡威，李小兵，鮑婧

隨著中國風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電市場開始從“三北”地區(qū)向人口密集、電力負(fù)荷大、接入條件優(yōu)的南方地區(qū)發(fā)展，但這些地區(qū)大多地形復(fù)雜、建設(shè)條件差，風(fēng)能資源一般，針對特殊的項目環(huán)境條件，“低風(fēng)速”、“高海拔”、“防臺風(fēng)”等概念被提出。國家能源局“十二五”第二批、第三批及增補擬核準(zhǔn)項目總量約50GW，其中云南、貴州、青海等高海拔地區(qū)容量合計約7.1GW，占比約15%，開發(fā)容量可觀。但在云貴地區(qū)風(fēng)電開發(fā)建設(shè)和運行過程中，卻逐漸暴露出一些問題，原因主要在于對高海拔地區(qū)氣候、風(fēng)況特性了解不夠，風(fēng)能資源前期評估工作粗放，風(fēng)電機組可靠性和適應(yīng)性低。

本報告主要基于云貴高原和青海地區(qū)進行風(fēng)特性的研究，分析該地區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向、湍流、切變等風(fēng)特性，總結(jié)不同地形、地貌及氣候背景下高海拔地區(qū)風(fēng)特性的差異性和關(guān)聯(lián)性，同時通過已運行風(fēng)電場的后評估經(jīng)驗，為后續(xù)高海拔地區(qū)風(fēng)電開發(fā)及風(fēng)電場建設(shè)、運行提供更有力的理論與經(jīng)驗基礎(chǔ)。

高海拔地區(qū)地理特性

中國地區(qū)海拔在2000m以上的區(qū)域包括青藏高原、云貴高原、青藏高原與黃土高原交界、天山山系(見圖1a)。青海東北部由阿爾金山、祁連山數(shù)列平行山脈和谷地組成，平均海拔4000m以上，西北部是阿爾金山、祁連山和昆侖山環(huán)繞的柴達木盆地，海拔600m－3000m之間(見圖1b)；云貴高原位于雪峰山以西，大婁山以南，哀牢山以東，地勢西北高，東南低，西部海拔在2000m以上，高原地形較為明顯，山地頂部多呈寬廣平坦地面，或呈和緩起伏地面，東部起伏較大，山脈較多，海拔在1000m－1500m之間(見圖1c)。云貴高原西部主要在云南省境內(nèi)，山嶺基本上以南北走向為主,如點蒼山、烏蒙山和龍山等;東部主要在貴州省境內(nèi)，山嶺基本上是東北一西南走向。

(a) (b)

圖1 地理位置示意圖

高海拔地區(qū)風(fēng)的特性

一、風(fēng)速分布

云貴高原整體西高東低、北高南低，有高山、平壩、峽谷、丘陵、隆升地形，海拔在2000mm－3500m之間，該區(qū)域地形基本為南北走向的單一、狹長山體，風(fēng)速與海拔高度呈一定的梯度變化關(guān)系如圖2所示，一般情況下海拔越高、風(fēng)速越大，由于海拔差異大，風(fēng)速差異大，70m高年平均風(fēng)速約在6m/s－10m/s之間。

青海省北部和西北部主要為山嶺谷地，東部為河湟谷地，西部為柴達木盆地，風(fēng)電項目擬開發(fā)區(qū)域海拔一般在2700m－3500m之間，地形為平坦的荒漠、戈壁灘，風(fēng)能資源分布較平均，差異不大，如圖3所示，70m高風(fēng)速一般在5m/s－7m/s之間，屬于低風(fēng)速區(qū)。

二、風(fēng)切變特征

風(fēng)切變反映了風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律，與地形地貌、地表粗糙度、熱力穩(wěn)定度相關(guān)，其中，地形地貌對風(fēng)切變的影響比地表粗糙度更明顯，尤其是陡峭地形，在迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡度大于30%的山脊上，背風(fēng)側(cè)會出現(xiàn)湍流區(qū)，在一定條件下，風(fēng)速隨高度的增加會減小，即負(fù)切變。故不同地形、地表及熱力穩(wěn)定度條件下，風(fēng)切變的大小是有規(guī)律可循的。

青藏高原屬于平坦的荒漠、戈壁灘地形，地表粗糙度小，風(fēng)切變較小，一般小于0.12。

云貴高原地區(qū)屬于高山山嶺地形，東部部分山體相對平緩，西部山體陡峭，地表主要分為高山草甸和茂盛植被覆蓋兩類，大多情況下風(fēng)切變較小一般小于0.05，但30m－50m高度層易出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象，主要原因為山體陡峭，低層加速效應(yīng)，導(dǎo)致高低層風(fēng)速差異小，故形成較小切變，部分地區(qū)因低層加速明顯，導(dǎo)致某高度層出現(xiàn)負(fù)切變。另外，樹林、灌木等植被會引起低層切變很大、高層負(fù)切變現(xiàn)象，如下圖4、圖5所示。

總之，青海地區(qū)熱力穩(wěn)定度多不穩(wěn)定、地表粗糙度小，地形變化不大，故整個區(qū)域風(fēng)速隨高度變化不大，切變小；而云貴高原地區(qū)地形、地貌復(fù)雜，地表植被多樣化，風(fēng)速隨高度變化存在一定的規(guī)律性但又存在特殊性，分析時需全面考慮各種因素，現(xiàn)場考察尤為重要。

圖2 云貴地區(qū)風(fēng)速垂直分布示意圖

圖3 青海地區(qū)風(fēng)速垂直分布示意圖

三、湍流強度

湍流強度代表10min內(nèi)風(fēng)速隨機變化幅度大小，影響風(fēng)電機組的疲勞載荷，是IEC61400－1風(fēng)電機組安全等級分級的重要參數(shù)之一。IEC61400－1－1999標(biāo)準(zhǔn)中，通過湍流強度特征值（平均湍流強度Iref+1＊湍流標(biāo)準(zhǔn)差σ）作為衡量湍流強度的標(biāo)準(zhǔn)。

（一）高海拔地區(qū)湍流特征

云貴高原地區(qū)湍流基本呈現(xiàn)兩種特征，見圖6，連綿平緩的高山草甸地形下，湍流較小，強風(fēng)速度段（＞10m/s）平均湍流強度基本低于0.09，湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差σ在0.02－0.03之間，15m/s湍流強度特征值一般小于0.12，湍流很小；見圖7重疊連巒、陡峭、植被豐富的高山地形下，強風(fēng)速段湍流呈現(xiàn)“上翹”的特征，平均湍流一般在0.12－0.14之間，湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差σ在0.04－0.055之間，15m/s湍流強度特征值較大在0.16－0.18之間，特殊條件下，湍流甚至超過A類標(biāo)準(zhǔn)。

青藏高原地區(qū)屬于平坦的戈壁灘，湍流很小，15m/s湍流強度特征值一般小于0.1，見圖8。

（二）成因分析

廖明夫等在《風(fēng)力發(fā)電技術(shù)》中提出大氣湍流的兩個主因是風(fēng)切變和熱對流，風(fēng)切變受地形、地貌、粗糙度和熱力穩(wěn)定度影響；熱對流湍流是地面上、下層氣流溫度差引起的熱對流。通常情況下，上述兩個原因往往同時導(dǎo)致湍流的發(fā)生。

圖4 不同地區(qū)植被示意圖（青海戈壁荒漠-云南高山草甸-云貴多植被山體）

圖5 地表粗糙度類型轉(zhuǎn)換時對風(fēng)切變的影響示意圖

地形改變風(fēng)切變規(guī)律，原則上山丘或山脊頂部風(fēng)會加速，見圖9，圓形平緩山包地形下，風(fēng)流附著地表層流，風(fēng)速隨高度增加而增大，上下對流不明顯，湍流小；而陡峭地形下，背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)湍流區(qū)，湍流影響區(qū)域的范圍、大小、強度等取決于地形的坡度、彎度、地表粗糙度、風(fēng)速等。

云貴高原地區(qū)，很好的驗證了上述理論結(jié)果，該地區(qū)湍流受地形、地貌、地表粗糙度影響大，表現(xiàn)不一，故在進行測風(fēng)數(shù)據(jù)分析及機組設(shè)計排布時需慎重考慮以下幾點：

（1）測風(fēng)塔的代表性問題，測風(fēng)塔位置所體現(xiàn)的湍流、切變等特征能否代表整個風(fēng)電場，是否存在特殊性或局限性；

（2）排布設(shè)計時應(yīng)盡量避開背風(fēng)坡區(qū)域，以降低湍流對機組載荷帶來的不利影響；

（3）植被豐富或較高樹木的區(qū)域，應(yīng)考慮適當(dāng)提高風(fēng)電機組輪轂高度，增大葉尖離地距離，減少湍流影響。

青海地區(qū)日夜溫差大，大氣不穩(wěn)定，易形成熱力對流，造成湍流日變化大，見圖10。

圖6 云貴連綿、平緩的高山草甸地形

圖7 云貴多山包、陡峭、植被豐富的高山地形

圖8 青海平坦、小粗糙度的荒漠戈壁灘高原地形

四、風(fēng)向

云貴高原常年西南季風(fēng)，西部風(fēng)能資源好于東部。我國南方大部分地區(qū)氣候受青藏高原影響較大，冬季西風(fēng)氣流遭阻擋，分為南北兩支，形成北脊南槽的環(huán)流形勢；夏季，西南季風(fēng)向北推進時，受阻于青藏高原分為兩支，一支向西，另一支沿山脈走向，流向中國，擴大西南季風(fēng)的影響范圍。故云貴地區(qū)風(fēng)向高度集中在SW、WSW，非常利于風(fēng)能資源的充分利用。圖11為云南地區(qū)主風(fēng)能風(fēng)向示意圖。

青藏高原冬季為冷源，邊界層里常出現(xiàn)冷高壓，高原北部盛行西風(fēng)，南部盛行東風(fēng)；夏季相反，青藏高原為熱源，邊界層里多出現(xiàn)熱低壓，高原北部盛行東風(fēng)，南部盛行偏西風(fēng)。圖12 青海北部地區(qū)主風(fēng)能風(fēng)向示意圖。

高原地區(qū)風(fēng)向共同特點：

（1）風(fēng)向高度集中，進行微觀選址設(shè)計時，應(yīng)盡量加大平行于主風(fēng)能風(fēng)向間間距，適當(dāng)減小垂直于主風(fēng)能風(fēng)向機組間間距，尤其單列機組；

（2）風(fēng)向高度集中，風(fēng)質(zhì)量好，偏航控制策略損失小，綜合折減系數(shù)高。

五、風(fēng)險因子

（一）冰凍

下圖13為云、貴、四川、青海等氣象基本站1971年－2000年年平均相對濕度分布圖，云南地區(qū)相對濕度范圍在60%－80%之間，滇南濕度大于滇北，這主要與西南季風(fēng)帶來的暖濕氣流相關(guān)；貴州西部及四川中部濕度較大，相對濕度基本大于80%，四川西部相對濕度呈減小趨勢，范圍大概在50%－65%之間；青海省盆地地形相對濕度較小，一般小于30%，高原地帶相對濕度在50%－65%之間。

圖9 地形和粗糙度對風(fēng)流的影響

圖10 青海地區(qū)湍流日變化示意圖

圖11 云南地區(qū)主風(fēng)能風(fēng)向示意圖

圖12 青海北部地區(qū)主風(fēng)能風(fēng)向示意圖

可見，云貴高原地區(qū)相對濕度大，年平均相對濕度在70%以上，尤其高原東部的貴州地區(qū)濕度基本在80%以上，易形成冰凍、凝露等現(xiàn)象。

通過已運行的貴州某風(fēng)電場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，見下圖14和圖15，云貴地區(qū)風(fēng)電場面臨以下幾個問題：（1）目前大多測風(fēng)塔測風(fēng)儀無加熱裝置，冰凍期數(shù)據(jù)基本無效，尚無客觀有效的方法進行有效訂正，給風(fēng)能資源評估工作帶來一定的不確定性；（2）風(fēng)電機組艙頂測風(fēng)儀器易凍結(jié)，導(dǎo)致機組控制系統(tǒng)失靈；（3）葉片結(jié)冰后，造成葉片翼型改變，機組出力明顯下降，同時影響葉輪的平衡，致使機組故障停機，造成發(fā)電量損失；（4）結(jié)冰會影響機組載荷變化，增加部件疲勞損傷或倒塌，存在很大的安全性問題。故在云貴高海拔地區(qū)進行風(fēng)能資源評估工作時，應(yīng)充分考慮冰凍因素并進行相應(yīng)的風(fēng)險評估，以保證機組的安全運行。

圖13 西南地區(qū)年平均相對濕度示意圖（數(shù)字標(biāo)注代表相對濕度（單位%））

圖14 測風(fēng)塔每10min平均風(fēng)速時間序列示意圖

圖15 貴州某項目冰凍期機組運行期各參數(shù)瞬時變化示意圖

（二）陣風(fēng)

在風(fēng)電場實際運行過程中，發(fā)現(xiàn)云南高海拔項目地區(qū)存在一種特殊的現(xiàn)象，即風(fēng)速在短時間內(nèi)突增或突減，根據(jù)風(fēng)速變化特點，本報告簡稱該現(xiàn)象為“陣風(fēng)”，下圖16為云南某風(fēng)電場2月份運行機組記錄到的“陣風(fēng)”出現(xiàn)時段分布圖，可見，在12∶00－20∶00時段出現(xiàn)比較集中，2月9日出現(xiàn)頻次最高；“陣風(fēng)”出現(xiàn)有一定的周期性，并非每日都會出現(xiàn)，有一定的間歇期，應(yīng)該與天氣系統(tǒng)周期性變化相關(guān)，后期可獲取更長序列數(shù)據(jù)進行研究分析。

選取“陣風(fēng)”出現(xiàn)頻次較高的2月9日每7s間隔實測風(fēng)速數(shù)據(jù)進行分析，見下圖17，紅色代表風(fēng)速每7s間隔風(fēng)速日變化曲線，藍色代表前后間隔風(fēng)速距平變化曲線，可見，0∶00－10∶00之間風(fēng)速相對小些，風(fēng)速瞬時變化小，而10∶00－18∶00期間，風(fēng)速較大，風(fēng)速突變明顯；風(fēng)速前后距平風(fēng)速差主要在1m/s－3m/s之間，最大達8m/s，風(fēng)速短時間內(nèi)變化大。

風(fēng)速、風(fēng)向短時間內(nèi)的突變，會導(dǎo)致風(fēng)電機組偏航頻繁，風(fēng)電場經(jīng)常出現(xiàn)尖峰出力現(xiàn)象，出力波動大，這對機組正常運行及載荷帶來很大的不確定性，應(yīng)予以重視并采取控制風(fēng)險措施。而高原氣象很復(fù)雜，動力、熱力及特殊地形的多重作用，形成高、低空急流、西南渦等特殊的天氣系統(tǒng)，要探究“陣風(fēng)”現(xiàn)象的成因則需要更深入、更全面、專業(yè)的研究，后期將對該區(qū)域通過測風(fēng)監(jiān)控、長序列運行數(shù)據(jù)收集、天氣系統(tǒng)監(jiān)測等一系列手段深入研究，為機組研發(fā)設(shè)計及風(fēng)電場安全運行提供更好的解決措施和方法。

圖16 2月份風(fēng)電場運行期“陣風(fēng)”分布時段示意圖

圖17 2月份風(fēng)電場運行期短時風(fēng)速變化示意圖

（三）高原型氣候

高海拔特殊氣候環(huán)境下，風(fēng)電機組面對低氣壓、高輻射、多雷暴等惡劣的自然環(huán)境條件，材料易老化、電氣設(shè)備的絕緣和散熱、防雷問題等對機組的安全運行帶來很大的風(fēng)險和不確定性。除了根據(jù)高海拔氣候環(huán)境著重器件的選用，控制系統(tǒng)對機組設(shè)備工作環(huán)境的監(jiān)控與設(shè)備故障預(yù)診斷非常重要，同時設(shè)備長期運行的可靠性和維護量尤為重要。

結(jié)語

本報告針對云貴高原和青海等風(fēng)電高速發(fā)展的高海拔地區(qū)，分析了該地區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向、湍流、切變等風(fēng)特性，總結(jié)了不同地形、地貌及氣候背景下高海拔地區(qū)風(fēng)特性的差異性和關(guān)聯(lián)性，同時通過已運行風(fēng)電場的運行經(jīng)驗，指出高海拔地區(qū)風(fēng)電場建設(shè)和運行的主要風(fēng)險點，結(jié)論如下：

（1）云貴高原地區(qū)，海拔差異大，70m高年平均風(fēng)速約在6m/s－10m/s之間，風(fēng)速差異大；青海地區(qū)，地形為平坦的荒漠、戈壁灘，風(fēng)能資源分布較平均，差異不大，70m高年平均風(fēng)速一般在5m/s－7m/s之間，屬于低風(fēng)速區(qū)。

（2）云貴高原地區(qū)山地地形、地貌復(fù)雜，地表植被多樣化，風(fēng)速隨高度變化存在一定的規(guī)律性但又存在特殊性，陡峭、平滑的高山草甸地形，風(fēng)切變較小一般小于0.05，高層易出現(xiàn)負(fù)切變，而植被豐富的山地地形，切變大，故分析評估時需全面考慮各種因素，現(xiàn)場考察尤為重要；青海地區(qū)熱力穩(wěn)定度多不穩(wěn)定、地表粗糙度小，地形變化不大，故整個區(qū)域風(fēng)速隨高度變化不大，切變小，一般小于0.12。

（3）云貴高原地區(qū)湍流基本呈現(xiàn)兩種特征，連綿平緩的高山草甸地形下，湍流較小，一般小于0.12；重疊連巒、陡峭、植被豐富的高山地形下，強風(fēng)速段湍流呈現(xiàn)“上翹”的特征，15m/s湍流強度特征值較大在0.16－0.18之間，特殊條件下，湍流甚至超過A類標(biāo)準(zhǔn)。青海地區(qū)，地形平坦，地表粗糙度小，湍流小，一般小于0.1。

（4）云貴高原及青海地區(qū)，受大氣候背景及青藏高原影響，風(fēng)向高度集中，有利于風(fēng)能資源的充分利用。

（5）高海拔地區(qū)特殊的氣候條件，對風(fēng)電機組的正常運行帶來很大的不確定性，增加了風(fēng)電開發(fā)和運行風(fēng)險。

（作者單位：崔冬林、胡威、李小兵：新疆金風(fēng)科技股份有限公司；鮑婧：江蘇省氣象局）