兩個新參數在云南山地風電場風能資源評估中的適用性分析

金燕 王學鋒 范立張

（云南省氣候中心，昆明 650034）

0 引言

風能資源評估主要包括點評估和區域評估，前者是指利用測風塔（站）觀測數據，采用數理統計方法對風能資源各項參數進行直接計算評估；后者針對區域，主要依賴大氣數值模擬技術，即基于大氣動力學和熱力學基本原理來描述近地層大氣的運動過程以及地形、地貌對大氣運動的影響[1]。

隨著風能資源開發利用的快速推進，區域風能資源評估技術得到了迅速發展[2-4]，風電場風能資源數值模擬技術由一些商業軟件提供技術支持[5-6]。而在風電場工程的風能資源評估中，基礎參數的選擇主要還是依據國家標準[7]，其對風能資源的能量指標評判主要參數是實測風速和風功率密度。楊振斌等[8]考慮到空氣密度、風速頻率分布是影響風能大小的兩個重要因子，提出了相當風速、有功風功率密度兩個新參數，旨在為準確進行風能資源評價提供更恰當的評價指標，并進行了試驗性分析。

由于云南風電場位于山地[9]，風能資源分布極為復雜，一些新技術和新方法在投入應用時，相關工程技術人員進行了一些探索，例如在風電場選址方法[10]、針對區域風能資源模擬[11]、對山地風電場風能資源模擬軟件的驗證[12]等，都做了一些工作。但對于基礎參數，相當風速和有功風功率密度兩個新參數是否適用，需要進行探索和試驗研究。因此，以云南山地風電場測風塔觀測數據為基礎，對兩個新參數與實測風速和風功率密度進行對比分析，以探索其在山地風電場中的適用性，為山地風電場風資源評價提供更有意義的參考依據。

1 資料及方法

1.1 資料

本文選取位于云南東部典型山地、丘陵地帶的楊梅山風電場兩個觀測年限較長、資料相對完整的測風塔風速觀測資料作為基礎研究數據，測風塔基本情況見表1。

表1 測風塔基本情況Table 1 Basic information about the wind towers

觀測設備采用NRG系統，觀測參數及取樣情況見表2，由于風機輪轂高度距離地面均在60 m以上，本文選取65 m高度逐10 min平均風速作為風速的基礎數據。

表2 研究數據基本情況Table 2 Basic information about the research data

針對風速、氣溫和氣壓資料的完整性檢驗、關系檢驗及缺測數據的處理，根據文獻[13]的數據檢驗和數據插補相關要求進行。

1.2 計算方法

根據楊振斌等[8]提出的既兼顧空氣密度又考慮風速頻率分布的風能資源豐歉的直觀判斷參數相當風速和有功風功率密度的計算公式，對2011年1月1日—2013年12月31日間的兩個風速儀所記錄的逐10 min平均風速，計算相當風速和有功風功率密度，計算公式分別為：

式中，Vi(i=1,…, n)為實測風速，就本文而言，即風速儀所記錄的逐10 min平均風速。

式中，v1為啟動風速； v2為切出風速；p(v)為風速概率分布密度函數，不同型號風機都具有各自的“啟動風速”，“切出風速”（切出風速指風力發電機組并網發電的最大風速，超過此風速機組將切出電網，就是風機會停機，停止發電），只有處于這兩個風速區間的能量才能被風機部分地轉換為電能，所以常常將“啟動風速”和“切出風速”之間的風速稱為“有效風速”。為不失一般性，本文“啟動風速”和“切出風速”分別取3.5和25.4 m/s。

2 平均風速與相當風速的對比分析

2.1 風速年變化

圖1給出了1#和2#測風塔65 m高度實測風速Vre與相當風速Ve年變化，從逐日的實測風速Vre與相當風速Ve來看，兩個序列的相關系數均在0.999以上，通過了0.01的顯著性檢驗。由圖可知，兩個測風塔65 m高度風速和相當風速在一年中的變化趨勢一致，1—5月較大，7—9月較小，均呈現出明顯的冬春季大、夏秋季小的全年兩季風特征，這與云南其他山地風電場風速年變化特征一致。

圖1 1#測風塔（a）和2#測風塔（b）實測風速Vre與相當風速Ve年變化Fig. 1 The annual change of Vre and Ve about tower No.1 (a)and No. 2 (b)

進一步分析兩個觀測點年均逐日實測風速與相當風速之間的差值變化。從圖2可知兩者之間的差值在年內呈現冬春季偏大，夏秋季偏小的特征，與風速的年變化規律一致。

圖2 1#測風塔（a）和2#測風塔（b）實測風速Vre與相當風速Ve差值年變化Fig.2 Annual changes in the differences in Vre and Ve from towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

云南山地風場的海拔一般均在2000 m以上，年平均氣溫不高于12 ℃，根據平均空氣密度公式推算得出兩個測風塔空氣密度大致在0.90附近，由此分析也可以印證相當風速小于實測風速。

從表3可以看出，1#和2#測風塔在觀測時段內年平均實測風速Vre與相當風速Ve差值分別為1.7和1.9 m·s-1，兩個變量間的差值季節性變化較為一致，即在夏秋季差值較小，一般小于2.0 m·s-1，在冬春季差值偏大，一般大于2.0 m·s-1。

表3 1#測風塔和2#測風塔實測風速Vre與相當風速Ve差值季節變化（單位：m·s-1）Table 3 Seasonal variation in the differences between Vre and Ve for towers No. 1 (a) and No. 2 (b) (unit: m·s-1)

由于相當風速是從能量的角度出發來闡述風速對風能大小影響的一個量綱的參量，在某種意義上已經擯棄了不做功的小風速和大風速，在年變化上相對平穩。平均風速在大風季偏大，小風季偏小，所以導致兩者的差值在年變化中呈現與平均風速相同的變化趨勢。

同時，考慮到相當風速是將某一平均風速系列，折算到標準大氣下，服從瑞利分布的且具有相同能量的量綱參量，這樣就使得在不同下墊面、不同海拔條件下風電場風能資源的比較成為了可能，這才是在風能資源評估中運用相當風速概念的真正價值所在。

2.2 風速頻率

圖3為兩個觀測點平均風速Vre與相當風速Ve的風速頻率分布。由圖可見實測風速較相當風速更趨向于正態分布，相當風速的風頻在小風速段所占比例較高，同時大風速段所占比例減小。結合相當風速推導公式來看，相當風速是折算為標準大氣壓下的實際用來做功的那部分風速，同時還考慮了空氣密度這一物理量。由于山地風電場多數建在山地高處，空氣受到地形的抬升與擠壓作用，在山脊處的風速明顯高于山腳處，同時考慮空氣密度隨海拔的直減率，在山地高海拔地區空氣密度明顯低于平原。如果僅用實測風速來衡量做功的大小，則與實際做功之間勢必會存在較大偏差，而選用相當風速來代替實測風速對山地風電場進行資源評估，則能避免這一偏差的出現，能量指標更趨于實際，也更直觀。這也從側面印證了相當風速與平均風速的差值存在大風季大，小風季小的變化特征。

圖3 1#測風塔（a）和2#測風塔（b）實測風速Vre與相當風速Ve風速頻率分布Fig. 3 The wind speed frequency distribution of Vre and Ve from towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

3 平均風功率密度與有功風功率密度對比

圖4為兩個觀測點平均風功率密度與有功風功率密度的年均逐日分布圖，從逐日的平均風功率密度W與有功風功率密度We來看，兩個序列的相關系數均在0.999以上，通過了0.01的顯著性檢驗。由圖可知平均風功率密度與有功風功率密度全年的變化規律較為一致，即12月—次年4月風功率密度偏大，6—10月風功率密度偏小。

圖4 1#測風塔（a）和2#測風塔（b）平均風功率密度W與有功風功率密度We年變化Fig. 4 Annual changes in W and We from towers No. 1 (a)and No. 2 (b)

從兩者的差值變化來看（圖5），兩個觀測點的有功風功率密度較平均風功率密度偏小，全年中，冬春季節兩者的差值偏小，夏秋季差值偏大，與風速差值的年變化規律剛好相反。從公式來看，平均風功率密度為平均風速在整個統計時段內所做的貢獻，而有功風功率密度是有效風速在整個統計時段內所做的貢獻，所以有功風功率密度較平均風功率密度偏小。從兩者的差值來看，由于云南在冬春季風速偏大，風機處于有效風力范圍內對平均風能密度的直接貢獻就大，所以兩者的差值偏小；而在夏秋季風速普遍偏小，風機處于有效風力范圍內對平均風能密度的直接貢獻就小，所以兩者的差值偏大。

圖5 1#測風塔（a）和2#測風塔（b）平均風功率密度W與有功風功率密度We差值年變化Fig. 5 Annual change in the difference of W and We from tower No. 1 (a) and No. 2 (b)

從表4可以看出，1#和2#測風塔在觀測時段內年平均風功率密度W與有功風功率密度We分別為1.6和1.2 W·m-2，兩個變量間的差值季節性變化較為一致，即在夏秋季差值偏大，一般在2.0～3.0 W·m-2，在冬春季差值偏小，一般小于 1.0 W·m-2。

表4 1#測風塔和2#測風塔實平均風功率密度W與有功風功率密度We差值季節變化（單位：W·m-2）Table 4 The seasonal variation in the difference of W and We for towers No. 1 (a) and No. 2 (b)

4 結論

1）風速和相當風速的年內變化一致，即冬春季大，夏秋季小；相當風速較實測風速偏小，兩者之間的差值在年內變化與風速變化規律也基本一致，即在夏秋季差值較小，一般小于2.0 m·s-1，在冬春季差值偏大，一般大于2.0 m·s-1。

2）從風速頻率分布來看，相當風速分布更為集中，摒棄了實測風速對風能不實際做功的部分，讓能量指標更趨于實際，也更客觀準確。

3）平均風功率密度與有功風功率密度的年內變化一致，即冬春季大，夏秋季小；有功風功率密度較平均風功率密度偏小，兩者之間的差值在全年中呈現冬春季偏小，夏秋季偏大的特征，即夏秋季差值一般在2.0～3.0 W·m-2，冬春季差值一般小于1.0 W·m-2，這主要由于云南在冬春季風速偏大，風機處于有效風力范圍內對平均風能密度的直接貢獻就大，所以兩者的差值偏小；而在夏秋季風速普遍偏小，風機處于有效風力范圍內對平均風能密度的直接貢獻就小，所以兩者的差值偏大。

4）綜合分析表明，對于云南山地風電場而言，相當風速和有功風功率密度對于風能資源的表征較實測風速和風功率密度更接近資源的實際，使得在不同下墊面、不同海拔條件下風電場的風能資源的簡單比較成為了可能，作為一種資源評價指標加以應用是有實際意義的。