風電機組輪轂高度比選中風切變指數(shù)的應用分析

文 | 胡己坤，王海華，李慶慶，袁紅亮，劉瑋

（作者單位：中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司）

為適應不同地區(qū)風能資源特點，風電機組廠家通常會為一款風電機組配置多種不同輪轂高度的塔架，目前國內風電開發(fā)普遍向低風速區(qū)發(fā)展，高塔架的使用不僅成為提高風電場發(fā)電量的有效手段，甚至可能決定著項目能否最終上馬，近年來鋼-混凝土混合塔架及柔性塔架技術發(fā)展，風電機組經(jīng)濟可利用輪轂高度明顯上升，低風速區(qū)域測風塔高度率先向120～150m發(fā)展，但仍有大量早期設立的70m、80m高度測風塔用于風電場設計，這就對風切變指數(shù)的擬合及使用提出了更高的要求。本文通過案例分析論證了現(xiàn)有風切變指數(shù)計算方法的局限性，提出6～11m/s風速段風切變指數(shù)對發(fā)電量估算結果影響最大，在評估時應重點予以考慮。

數(shù)據(jù)來源

甘肅酒泉東部某地120m高測風塔（下文簡稱1#測風塔）完整一年有效測風數(shù)據(jù)。測風塔所在地區(qū)為戈壁灘，周邊地形平坦開闊。

風切變指數(shù)計算

1#測風塔塔高120m，分別在120m、110m、100m、90m、80m、70m、50m、30m和10m高度各安裝有一套風速計，經(jīng)檢驗處理后統(tǒng)計得到該測風塔各高度完整一年平均風速統(tǒng)計見表1。

按照指數(shù)公式計算1#測風塔不同高度之間風切變指數(shù)，計算公式為：

式中，α為風切變指數(shù)，Va、Vb分別為高度為Za、Zb處的平均風速。

1#測風塔各高度之間風切變指數(shù)擬合結果見表2。

從表2可以看出，1#測風塔高層風切變指數(shù)整體較大，其中90m和120m之間的風切變指數(shù)達0.145。此外若根據(jù)各時段風切變指數(shù)求平均值的方法得到風切變指數(shù)為0.151，根據(jù)大于3m/s風速的各時段風切變指數(shù)求平均值的方法得到風切變指數(shù)為0.139，采用風廓線指數(shù)擬合的方法得到風切變指數(shù)為0.146，三種方法計算得到的風切變指數(shù)均較大。

由于測風塔風切變較大，120m高塔架的經(jīng)濟性可能優(yōu)于90m高塔架。本文以單機容量2500kW的某款風電機組為例，在測風塔周邊按照梅花形布置25臺風電機組進行發(fā)電量估算比較，其中方案一為90m高鋼制塔架，采用1#測風塔90m高度實測風速資料進行計算，方案二和方案三均為120m高預應力混凝土-鋼混合塔架，方案二采用1#測風塔120m高度實測風速資料進行計算，方案三采用90m高度實測資料通過風切變指數(shù)推算得到的120m風速數(shù)據(jù)進行計算（風切變指數(shù)以工程設計中最為常用的指數(shù)擬合方法為例計算得到，取0.146），理論發(fā)電量估算結果見表3。

表1 1#測風塔各高度完整一年平均風速統(tǒng)計表

表2 1#測風塔各高度之間風切變指數(shù)擬合結果表

從表3可以看出，與方案一相比，方案二與方案三理論發(fā)電量分別提升了4.53%和5.17%，方案三增幅更大，說明通過0.146的風切變指數(shù)推算出的120m高度風速數(shù)據(jù)較實測值偏大。

不同風速段風切變指數(shù)差異及影響

現(xiàn)有風切變指數(shù)計算方法的計算思路均為通過測風塔全部或部分數(shù)據(jù)，得出一個單一風切變指數(shù)值以擬合真實的風廓線特征。從算例中可以看出，這種單一的風切變指數(shù)值實際上并不能全面反映風廓線特征，因此出現(xiàn)了輪轂高度比選方案三中估算得到的發(fā)電量偏高的問題。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，1#測風塔盡管在90m高度以上的整體風切變指數(shù)達0.146，但不同風速段風切變指數(shù)差異較大，1#測風塔90～120m高度不同風速段風切變指數(shù)變化曲線見圖1。

由圖1可以看出：

（1）1～4m/s風速段是風切變指數(shù)的最大值區(qū)，為0.232～0.438，但由于此時風電機組處于未切入或剛剛啟動狀態(tài)，對發(fā)電量增加幾乎沒有貢獻；

（2）20～28m/s風速段是風切變指數(shù)的次大值區(qū)，為0.150～0.222，但由于此時風電機組處于滿發(fā)或切出狀態(tài)，對發(fā)電量增加亦沒有貢獻；

（3）11～20m/s風速段是風切變指數(shù)的較大值區(qū)，為0.128～0.154，但由于此時風電機組處于滿發(fā)狀態(tài)，對發(fā)電量增加同樣沒有貢獻；

（4）4～11m/s風速段風電機組出力隨風速增大不斷增加且尚未達到額定功率，是風切變引起發(fā)電量增加的有效區(qū)域，其中4～6m/s風速段風切變指數(shù)較大，為0.156～0.158，但風能僅占4～11m/s風速段總風能的7.7%，且此時風電機組剛剛切入，出力較小，對發(fā)電量增加貢獻不大；6～11m/s風速段風能占4～11m/s風速段總風能的92.3%，風電機組出力快速增加，對發(fā)電量增加貢獻最大，但風切變指數(shù)較小，僅0.124～0.143，這是造成采用風切變指數(shù)推算高層風速時導致發(fā)電量被高估的主因。

表3 各方案理論發(fā)電量估算結果表

圖1 1#測風塔90～120m高度不同風速段風切變指數(shù)變化曲線

考慮到不同風速段風切變指數(shù)存在差異且對發(fā)電量估算的影響亦不相同，采用分風速段擬合風切變指數(shù)很可能有助于降低發(fā)電量估算誤差。采用指數(shù)擬合方法，按照1m/s為一個風速區(qū)間分別估算各段風切變指數(shù)，據(jù)此通過90m高度實測資料推算120m高度風速數(shù)據(jù)并進行發(fā)電量估算，得到算例中120m高度的理論發(fā)電量為19678.8萬千瓦時，與90m高度相比發(fā)電量增加比例為4.75%，與方案三相比理論發(fā)電量估算誤差減小了79.1萬千瓦時。

結論

目前常用的風切變指數(shù)均是通過全部或部分測風數(shù)據(jù)計算得出的一個綜合性數(shù)據(jù)，以此指導風電機組輪轂高度比選具有一定的局限性。實際上，風切變指數(shù)在不同風速段的大小是不同的，各風速段風切變指數(shù)對發(fā)電量的影響程度也不相同，其中6～11m/s風速段的風切變指數(shù)影響程度最大，在進行風電機組輪轂高度比選中若用于發(fā)電量估算的風速數(shù)據(jù)是由風切變指數(shù)推算獲得，則應重點關注6～11m/s風速段的風切變指數(shù)。