典型地域的風向特征研究

文 | 鄧星

典型地域的風向特征研究

文 | 鄧星

風電場前期規劃和設計中，風速的大小及變化特征是開發商最為關注的部分，風向的重要性往往受到忽視。風向的分布及變化特征對風電場前期的測風選址、設計過程中的機位排布乃至具體機位點的尾流損失和發電量計算都有指導作用。本文以江蘇、云南兩地為例，討論不同地域的風向變化特點，從不同角度研究風向波動特點和變化特征，希望為風電場的規劃設計提供更多啟示。

資料及方法

江蘇、云南兩省都是我國風電開發大省。截至2015年底，江蘇省累計并網裝機容量412萬千瓦，已核準容量901萬千瓦；云南省風電累計并網裝機容量412萬千瓦，已核準容量939萬千瓦，風電發展勢頭強勁。江蘇位于我國東部沿海，具有海洋性和大陸性氣候雙重影響的氣候特征；云南地處西南邊陲，屬于低緯度高原。兩省在行業前景和風能資源特征上都極具代表性，本文選擇江蘇和云南兩省典型測風塔為代表，展開討論。

一、測風塔情況

測風塔1#位于江蘇省大豐市，自2010年8月開始測風，數據截至2017年4月，塔高80米，海拔高度1米；測風塔2#位于云南省曲靖市，自2010年11月開始測風，數據截至2017年2月，塔高70米，海拔高度2210米。本文以2011年至2016年共6年數據為基礎進行對比分析，風向所在高度均為測風塔的最高層。

二、風向的表示

氣象上把風吹來的方向確定為風的方向。風向的測量單位，用方位表示。陸地上一般用16個方位表示，同時也用角度表示風向，把圓周分成360度，北風0度，東風90度，南風180度，西風270度，其余風向都由此計算出來。風向頻率表示為：風向頻率=某風向出現次數/風向的總觀測次數×100%。

風向頻率玫瑰圖是根據某一地區多年平均統計的各個風向和風速的百分數值，按一定比例繪制，風電中一般用十六個羅盤方位表示。玫瑰圖上所表示風的吹向（即風的來向），是指從外面吹向地區中心的方向。

三、風向的標準偏差

風電行業中，風向的標準偏差表征著風向的變化頻率和幅度，也是大氣邊界層湍流穩定度的重要指標之一。

圖1 兩基測風塔的相對位置示意

標準差（Standard Deviation，SD）也被稱為標準偏差，用σ表示，反映一個數據集的離散程度，標準偏差越小，這些值偏離平均值就越少，公式為：其中，N為樣本總數，xi為某一時刻數值，為所有樣本平均值。

風向的分布特征分析

一、風向與風能的分布特征

兩基測風塔的風向分布特征顯著。如圖2、3所示，江蘇1#結果顯示該地區主風向不顯著，自北向（N）順時針至東南向（SE）各個扇區的風向頻率差異并不顯著，主要風向的分布范圍跨度很廣，頻率最高的北偏東（NNE）和東偏南（ESE）扇區存在90°偏差，比例也僅為13%，主要是受東亞季風環流以及海陸熱力差異的影響；云南2#結果顯示該地區主風向為西南風，非常集中且穩定，西南風（SW）扇區內風向出現概率超過40%，主要是受大區域背景的西南季風影響。

兩基測風塔的風能分布特征也很顯著。如圖4、5所示，江蘇1#結果顯示該地區主風能方向與主風向并不一致，主風能方向為北（N）和北偏東（NNE）；云南2#結果顯示該地區主風能方向與主風向非常一致。

二、不同風向下的風速分布特征

圖2 江蘇1#測風塔六年累計風向玫瑰圖

圖3 云南2#測風塔六年累計風向玫瑰圖

圖4 江蘇1#測風塔六年累計風能玫瑰圖

圖5 云南2#測風塔六年累計風能玫瑰圖

圖6 江蘇1#測風塔各扇區的風速分布

圖7 云南2#測風塔各扇區的風速分布

統計兩基測風塔在不同扇區的風速分布情況，如圖6中測風塔1#的結果顯示，該地區占比最大的是6－12m/s風速段，其次為0－6m/s風速段，兩風速段的分布情況也與主風向吻合，而比重較少的12－18m/s風速段主要集中在北向（N）和北偏東（NNS）方向，其次為東北（NE）方向，該風速段分布情況與風能分布特征吻合，故可判斷主要是由于12－18m/s風速段在特定扇區的集中分布，導致了江蘇沿海地區主風向與主風能方向的不一致，在風電機組排布時，不應僅考慮主風向，同樣需要考慮主風能方向可能導致的尾流影響。圖7中測風塔2#的結果顯示，該地區占比最大的是5－10m/s風速段，其次為10－15m/s風速段，兩風速段的分布情況與主風向吻合，而與江蘇省典型地區不同的是，該地區在15－20m/s的高風速段，其分布扇區仍然在西南（SW）和西偏南（WSW）方向，能夠保持與主風向基本一致，故該地區主風向與主風能方向基本統一，對風電機組的排布更為有利。

風向的變化特征分析

一、風向的年變化特征

統計兩基測風塔自2011年至2016年各年的風向變化情況，結果如圖8、圖9所示。

江蘇省典型地區的風向分布形態雖然各年也基本保持在0°－160°范圍內，但具體的主風向角度及比例在各年皆有不同，如2011年北向（N）、東向（E）和東偏北（ENE）樣本的比例較高，而2012年、2014年、2015年、2016年北向（N）樣本比例偏低，2013年東向（E）和東偏北（ENE）方向樣本數量較少，說明該地區的風向分布形態可能存在一定的年際變化。而云南省典型地區的風向年分布形態非常穩定，由于主風向非常集中，故主風向扇區的分布和比例在不同年份也基本一致。

圖8 江蘇1#測風塔各年玫瑰圖

攝影：何紅安

圖9 云南2#測風塔各年玫瑰圖

二、風向的月變化特征

統計兩基測風塔全部測風時間段各月的風向變化，結果如圖10、11所示。測風塔1#結果顯示該地區風向有顯著的月變化，1－3月份北向風（N）盛行，4月份風向轉換，直至7月份以偏南風為主，8月份風向再次開始轉換，經東向風（E）為主的一段時期過渡，又變為偏北風盛行，基本為冬季偏北風，夏季偏南風，受東亞典型的東南季風環流影響顯著。測風塔2#結果顯示該地區也存在一定的月變化，云南地區特殊之處在于會受到西南季風和東南季風的交替影響，8月份開始，東南季風較強時，云南典型地區將進入東南季風影響范圍，導致8月至10月份該地區偏東、偏南風比例增大，而其月份主要在西南季風控制之下。

三、風向SD的變化特征

圖10 江蘇1#測風塔各月的玫瑰圖（從左至右依次為1月-12月份）

圖11 云南2#測風塔各月的玫瑰圖（從左至右依次為1月-12月份）

圖12 1#和2#測風塔逐月風向SD序列（2011年-2016年）

圖13 江蘇1#和云南2#測風塔風向變化8°持續時長分布（2011年-2014年）

風向SD主要體現風向變化的幅度和變化的頻率，如圖12所示，兩基測風塔的平均風向SD的逐月變化序列差異顯著。江蘇典型地區雖然主要風向范圍較廣、主導風向不清晰，但除了4月、8月等風向轉化季節外，其他月份風向變化幅度不大，變化更溫和；而云南典型地區風向SD變化特征顯著，雖然主風向穩定，但基本上每個自然年內都存在著變化的波峰和波谷，并且波峰多出現在夏季，尤其是8月份；波谷多出現在冬季，在12月份出現的頻率較高，說明該地區的風向變化，與冬季相比，夏季變化的頻率和變化幅度都更高。

四、風向變化特征對偏航的影響

一般而言，在風電場運營的控制系統中，針對風電機組偏航的控制策略是：持續一定時間內，以當時風向偏離機艙方位8°作為偏航程序的啟動條件。統計兩座測風塔的風向在時間序列上8°范圍保持的時間長度，為這兩種風向特征下的區域風電場控制策略制定提供參考和依據。

分別統計兩個地區在2011年－2014年內各年風向變化幅度低于8°狀態保持在20min、30min以及30min以上時間所對應的概率，結果如圖13所示。風向在8°范圍內變化的持續時間，在20min和30min以內時，兩個地區比例比較接近；持續時間在30min以上時，江蘇地區顯著高于云南地區，連續4年全部超過了60%，換言之，就全年而言，江蘇地區的風電機組偏航控制有60%的概率是能持續在30min以上風電機組穩定對風、持續發電的狀態，而云南地區由于風向變化范圍控制在8°內持續時間相較而言更短，穩定性稍有欠缺。統計結果與前一小節對兩個地區風向SD變化特征的分析結果是基本吻合的。

結論

本文通過研究云南、江蘇兩個典型地區典型測風塔的風向分布和變化特征，希望可以為類似地區風電場的規劃設計、機組控制策略的制定提供一定的參考和借鑒。

（1）江蘇省典型地區主風向分布相對離散，且主風能方向與主風向不一致；云南典型地區主風向顯著且集中，主風能方向與主風向一致。

（2）江蘇典型地區風向各年分布存在差異，云南典型地區基本一致；兩地區風向都存在一定的逐月變化特征，江蘇典型地區變化更為明顯。

（3）江蘇典型地區的風向波動頻率和幅度較之云南典型地區都低。

（4）云南典型地區風向變化范圍控制在8°以內的時間概率低于江蘇地區，換言之，若按8°的風向差作為偏航條件，則云南地區的風電機組偏航動作比江蘇地區更為頻繁。

（作者單位：中能電力科技開發有限公司）