酒泉風電基地風況變化對風力發電的影響

于海躍+李紅英+張玉香

摘 要：酒泉作為全國“千萬千瓦級”風電基地之一，分析研究酒泉市風電基地風況變化對風力發電的影響以及對酒泉市風能產業的發展規劃和電網的安全穩定運行具有重要的理論意義和實際價值。結果表明：酒泉各站風速呈整體減小的趨勢，且金塔、玉門、瓜州和敦煌風速減小趨勢極為顯著，但在不同的時期各站風速變化具有不同的變化特征。進入21世紀以來，除玉門外其余各站平均風速又呈現出緩慢增大趨勢。大風日數演變趨勢表現為顯著的遞減趨勢，年大風遞減率達-4.64d/10a（通過0.001信度檢驗）。距地面10m高度層處風能密度在200W/m2左右，隨著高度的增加而風能增大，到70m高度層風能密度達350W/m2以上，10～70m層內平均風能值在270W/m2以上，酒泉市風能儲量相當可觀，為風電的大力發展提供了最重要的前提和基礎，因而風電的發展前景巨大。

關鍵詞：酒泉；風況變化；風力發電

中圖分類號 TM614 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）01-92-04

風能作為一種可再生的清潔能源，具有調整和優化能源結構、減輕環境污染、保護生態等方面的多重功效，是21世紀最具發展前景的綠色能源。風力發電有著改善能源結構、經濟環保等方面的優勢，是未來能源電力發展的一個趨勢[1]，但風電受風速變化特性的影響，具有很大的隨機性、間歇性、不可控性和反調峰特性[2]，由此給電網調度和電力供應管理構成了顯著壓力。許多學者對風電作了深入的研究，如馬祥等對風電對電網的影響進行了研究[3]，薛桁等對中國風能資源貯量進行了估算[4]，毛慧琴等對廣東省風能資源區劃進行了研究[5]，李艷在中國陸域近地層風能資源的氣候變異和下墊面人為改變的影響中指出，我國年平均風速序列保持整體上減弱的氣候變化趨勢[6]。

酒泉市位于河西走廊的西端，地處祁連山脈以北、馬鬃山以南，呈狹長走廊，大部分地區為祁連山北麓沖擊構成的山前傾斜平原，扇形地上部多礫石組成，形成砂磧、戈壁、荒漠和間歇性綠洲，地勢平坦，地域遼闊。區域風能主要來自于大氣環流西風帶大氣運動動能[7]，特殊地形的狹管效應使近地面風速加大[8]，其獨特的地理環境形成了我國乃至世界特有的風能資源富聚集帶，潛藏著豐富的風能資源，目前酒泉市充分利用這一氣候資源優勢，建設成為“千萬千瓦級風電基地”。酒泉作為全國“千萬千瓦級”風電基地之一，分析研究酒泉市風電基地風況變化對風力發電的影響以及對酒泉市風能產業的發展規劃和電網的安全穩定運行具有重要的理論意義和實際價值。

1 酒泉市風速變化特征

1.1 酒泉市年平均風速的時間演變特征 酒泉市年平均風速為1.9～4.5m/s。通過分析1961-2014年酒泉市境內8個氣象站的風速資料（圖1），發現近53a來酒泉市平均風速整體呈減小趨勢，并對其進行線性回歸的顯著性檢驗，利用傾向率來表示風速變化的趨勢，各測站的風速變化傾向率見表1。

由表1可知，酒泉市境內8個測站風速變化的線性趨勢除馬鬃山未通過檢驗外，其余各站均通過顯著性檢驗。整體而言，酒泉市境內風速呈減小趨勢（這與李艷在分析中國陸域近地層風能資源的氣候變化時得出的結論非常吻合，即中國近50a來，我國年平均風速序列保持整體上減弱的氣候變化趨勢），且金塔、玉門、瓜州和敦煌風速減小趨勢極為顯著，而馬鬃山未通過檢驗，說明馬鬃山平均風速相對穩定，波動較小。近53a來酒泉市風速整體呈下降趨勢，但在不同的時期各站風速變化具有不同的特征。按風速在不同時期的變化趨勢，可將酒泉市風速的變化過程規律分為第一類風速變化：增↑→減↓→增↑，第二類風速變化：減↓→增↑，第三類風速變化：增↑→減↓。

1.1.1 第一類風速變化 第一類風速變化（增↑→減↓→增↑），包括肅州區、金塔、鼎新、瓜州、敦煌、馬鬃山。近53a來上述地區風速的變化過程和各時期的傾向率見表2：

以瓜州為例，1961-1971年風速呈增大趨勢，傾向率為0.9m/s，風速增大趨勢較為明顯，其中1970和1971年達到最大值，為4.1m/s，隨后風速經歷了一個較長時間的減小過程，到1998年降至最小值為2.0m/s，之后風速逐漸增大到3.0m/s以上。對馬鬃山而言，1961-1970年風速呈明顯增大趨勢，1971-1989年風速減小趨勢非常顯著，自1990-2014年風速進入相對平穩階段，呈微弱的增加趨勢，說明馬鬃山近23a來風速變化比較平穩。

1.1.2 第二類風速變化 第二類風速變化（減↓→增↑），只有肅北，見表3。近41a來，肅北平均風速經歷了減小到增大的過程，1973-1999年風速快速減小，自2000年開始風速進入一個明顯增大趨勢，尤其是2010年開始風速快速增大。

1.1.3 第三類風速變化 第三類風速變化（增↑→減↓），只有玉門。1961-1970年風速進入明顯增大期，在1970年達到峰值為5.2m/s，隨后進入一個緩慢的減小階段，尤其是自1988年以來長期處于平均值（3.6m/s）以下，2006年開始有短暫的上升趨勢，2011-2014年風速又有所下降，見表4。

綜上所述，各站年平均風速的波峰期大多出現在20世紀60年代末至80年代初，最大值均出現在20世紀70年代初；20世紀80年代中期至21世紀初為平均風速的波谷期，最小值大多出現在20世紀90年代。進入21世紀以來，除玉門外，其它地區平均風速均呈現出緩慢增大趨勢。

1.2 四季平均風速的時間變化趨勢 酒泉市年平均風速季節變化十分顯著，表現為“春冬大、夏秋小”的特點，春季為各季中風速最大。從表5可以明顯的看出，近53a來除馬鬃山外其余各站春季、夏季、秋季和冬季的平均風速表現為一致的減弱趨勢，但各站較小趨勢差異較大，如瓜州、金塔和玉門四季的減小速度明顯大于其他各站，而馬鬃山春季和夏季則表現出微弱的增大趨勢，秋季和冬季是下降趨勢。

2 大風（≥8級）日數變化趨勢

從圖2可以看出，酒泉市年大風日數演變趨勢表現為顯著的遞減趨勢，且峰、谷值特征明顯，20世紀70年代為大風的高發時段，其后為一明顯的低值時段。最多年份出現在1972和1973年為48d，最少年份為2005年，僅為13d。在近53a來，酒泉市年大風遞減率達-4.64d/10a（通過0.001信度檢驗）。

從各站大風日數演變趨勢來看，肅北和馬鬃山大風日數變率較小，其余各站大風日數均呈現快速遞減趨勢，尤其是瓜州、玉門、金塔、鼎新和敦煌減小趨勢極為顯著。

以瓜州為例（見圖3），近53a來年平均大風日數呈直線下降，比最新30a（1981-2010年）的平均日數減少了約40%，說明在酒泉市風電場布設較為集中的地區破壞性風速急劇減少，對風電場的安全穩定運行提供了有力保證。

3 酒泉市風能儲量

河西走廊地區年內3m/s以下風的動能不到總風能的1%。≥3m/s風速風能的基本情況是，距地面10m高度層處風能密度在200W/m2左右，隨著高度增加而風能增大，到70m高度層風能密度達350W/m2以上，10～70m層內風能平均值在270W/m2以上。以10～70m層內風能密度平均值計算風能約在2 200khW/m2以上，在長1 000km、寬10～100km的河西走廊地帶年儲量大致在1.72×1014khW計算，以0.785風能資源技術開發量計算，年開發量將在1.35×1014khW左右。由此可見，酒泉市風能儲量相當可觀。

4 結論

近53a來酒泉市除馬鬃山平均風速相對穩定，波動較小，其余各站均表現為整體減小的趨勢，且金塔、玉門、瓜州和敦煌風速減小趨勢極為顯著，但在不同的時期各站風速變化具有不同的變化特征。按風速在不同時期的變化趨勢。各站年平均風速的波峰期大多出現在20世紀60年代末至80年代初，最大值均出現在20世紀70年代初；20世紀80年代中期至21世紀初為平均風速的波谷期，最小值大多出現在20世紀90年代。進入21世紀以來，除玉門外其余各站平均風速又呈現出緩慢增大趨勢。因而酒泉市風電基地的風況變化對風力發電不會產生制約性影響。

酒泉市年平均風速表現為“春冬大、夏秋小”的特點，春季為各季中風速最大。除馬鬃山外其余各站春季、夏季、秋季和冬季的平均風速表現為一致的減弱趨勢。

酒泉市年大風日數演變趨勢表現為顯著的遞減趨勢，年大風遞減率達-4.64d/10a，肅北和馬鬃山大風日數變率較小，其余各站大風日數均呈現快速遞減趨勢，尤其是瓜州、玉門、金塔、鼎新和敦煌等地減小趨勢極為顯著。說明在酒泉市風電場布設的重點區域破壞性風速急劇減少，提高了風電場的安全運行保障。

距地面10m高度層處風能密度在200W/m2左右，隨著高度的增加而風能增大，到70m高度層風能密度達350W/m2以上，10～70m層內平均風能值在270W/m2以上，酒泉市風能儲量相當可觀，為酒泉市風電的大力發展提供了最重要的前提和基礎，因而酒泉市風電的發展前景巨大。

參考文獻

[1]任麗亞，張建東.風力發電對電力系統運行的影響[J].中國科技信息，2007（2）：28-30.

[2]彭暉.風電場風電量短期預測技術研究[D].南京：東南大學，2009.

[3]馬祥，米淵，馬曉寧.風力發電并入大同電網對電網的影響分析[J].中國電力教育，2014（3）：240-241.

[4]薛桁，朱瑞兆，楊振斌，等.中國風能資源貯量估算[J].太陽能學報，2001，22（2）：167-170.

[5]毛慧琴，宋麗莉，黃浩輝，等.廣東省風能資源區劃研究[G]//中國氣象學會2005年年會論文集，2005.

[6]李艷，王元，儲惠蕓，等.中國陸域近地層風能資源的氣候變異和下墊面人為改變的影響[J].科學通報，2008，53（21）：2646-2653.

[7]王毅榮，張存杰.河西走廊風速變化及風能資源研究[J].高原氣象，2006，25（6）：1196-1200.

[8]陳啟新.風速的"狹管效應"增速初探[J].山西水利科技，2002，2：62-64. （責編：張宏民）