基于大數據分析的風電場建設評估方法

張克功　杜吉梁

摘要：我國幅員遼闊，在東北、西北、華北地區都有較為豐富的風能資源。評估一個地區風能資源狀況的主要指標是風功率密度。通過對當地風功率密度的大數據分析，可以為風電場建設提供有效的理論依據和數據支撐。

關鍵詞：大數據；風能；風功率；風電場

1 風的形成及影響風能資源的因素

風的形成主要有大氣環流、季風環流、局地環流等形式，我國內陸地區主要風能資源是由大氣環流形成的。

影響一個地區風能資源狀況的因素主要有風功率密度（含風速、風速分布和空氣密度的影響）、風向頻率及風能密度方向分布、風速日變化和年變化、超高風速、地形、溫度、湍流等，其中風功率密度是評估一個地區風能資源狀況的主要指標，指的是與風向垂直的單位面積中風所具有的功率，數值取自風機監控系統采集的給定時間周期內的平均值[1]。

公式（1）為風功率密度計算方法：

DWP=1[]2ρv3（1）

其中ρ為空氣密度標準狀態下的值為12928kg/m3，v為風速，單位為m/s。

2 我國風能資源的特點

我國最大風能地區在東南沿海及其島嶼，但風能由沿海向內陸方向衰減過快，可供部署風力發電場的空間有限。內蒙古和甘肅北部是冷空氣南下進入我國的必經之路，常年受西風帶控制，是我國次大風能資源地區，其特點是風能分布范圍廣、年有效風力占比高、風速衰減梯度小，適合建設風力發電場[1，2]。

3 我國某地風能數據分析

本文獲取了某風電場年實測風速數據如表1所示，表中數據為全年每15分鐘的實測風速和風功率數據，數據記錄共35040條。通過大數據分析，對該風電場的風能資源進行評估。

通過統計分析，計算該風電場全年平均風速v。

v=1[]35040∑35040i=1vi=567m/s（2）

該發電場風力發電機切入風速為3m/s，切出風速為25m/s。統計發現該風電場全年實測最大風速為21m/s，因此，該風電場全年實際有效風速范圍為3m/sv21m/s。發電機發電量與風速關系曲線圖如圖1所示。

以每小時的四次風速采樣值的平均值作為時平均風速，統計全年可供風力發電的時平均風速（3m/sv21m/s）的總時長為7426h，占比達84.8%。時平均風速統計如圖2所示。

以同樣的方法計算風電場12個月的月平均風速統計如表2所示，由表中數據可知，當地冬季風速較大，夏季風速較小，最低月平均風速為4.64m/s。

風電場月平均風速與平均輸出功率折線圖如圖3所示，可看出該風電場夏季輸出功率較低。

該風電場年平均風功率密度DWP計算如下：

DWP=1[]35040∑35040i=11[]2ρv31=16322W/m2（3v25）（3）

計算單臺發電機葉片掃掠面積S：

S=πr2=441786m2（r=37.5m，為發電機葉片長度）（4）

得出該風電場單臺風力發電機的年平均有效風功率Pa為：

Pa=SDWP=721kW（5）

4 風能資源等級劃分

我國風能資源等級劃分標準如表3所示[3]。

5 風電場風能資源評估

綜合上述計算分析，該風電場年平均風速為567m/s，年有效風速時長為7426h，年平均風功率密度為16322W/m2。依據表3我國風能資源等級劃分標準，該地區屬于風能資源次豐富區，有較為豐富的風力資源，綜合考慮發展風力發電的地形、溫度、湍流等條件，選擇適合的風力發電機型號，可以建設風力發電場并較好地利用風能資源。

參考文獻：

[1]謝建民，邱毓昌，張治源.風力發電機優化選型與云南省風力發電場規劃研究[J].電力建設，2001，5

[2]葛江北，周明，李庚銀.大型風電場建模綜述[J].電力系統保護與控制，2013，17。

[3]張顯雙.風能的利用[M].物理世界，人民教育出版社，2004.

作者簡介：張克功（1984），男，甘肅會寧人，講師，碩士；杜吉梁（1982），男，甘肅山丹人，副教授，碩士。