测风塔和测风数据合理性评估的实例分析

文 | 史剡烽 毕广明 郑亮

测风塔和测风数据合理性评估的实例分析

文 | 史剡烽 毕广明 郑亮

2013年5月15日，国务院《关于取消和下放一批行政审批项目等事项的决定》指出企业投资风电站项目(总装机容量50MW及以上项目)核准权限由国家发展改革委下放到地方政府投资主管部门。自此在我国风电场开发建设中，为了节约核准成本和降低核准难度的装机容量49.5MW项目将逐渐消失，随之而来的风电场最佳开发规模问题浮出。

风电场年上网电量是决定风电项目收益的最重要指标，也是影响最佳开发规模的重要因素。为了在项目前期决策阶段更加准确的判断风电场规模和收益，风能资源和项目成本评估工作精确性必须进一步提高。随着风电场建设由“三北”和“沿海”平坦地区转向中部、西南及南方等山地区域，风能资源评估工作变得日益复杂。

评估依据及特点

目前风能资源评估采用的依据包括《风电场风能资源评估方法》、《风电场风能资源测量方法》以及《全国风能资源评价技术规定》（以下分别简称《评估方法》、《测量方法》和《技术规定》）等。

《评估方法》是目前设计人员进行风电场风能资源评估的主要依据。《评估方法》的合理性分析包括范围检验、相关性检验和趋势检验三类。对于风速风向而言，就是规定了数值的合理取值范围，提供了同时刻不同高度间风速风向的参考差值，以及前后时刻记录值的参考变化量，其数据判断时间节点为本时刻或本时刻与下一时刻，间隔多为短期。

《测量方法》规定了风电场进行风能资源测量的方法，包括测量位置、测量参数、测量仪器及其安装、测量数据的采集等。风电场风能资源测量方法中对于测风塔及其设备的安装有详细的规定，在执行性方面却存在一些变数。设备安装过程中，支架朝向的选取常以当地气象站的多年主导风向为参考，而高山地区风向的垂直分布复杂多变，安装方面的疏忽可能给评估工作带来诸多影响。

《技术规定》主要是以现有气象台站的测风数据为基础，通过整理、分析，对全国风能资源的大小和分布进行评价。其中一部分重要内容为气象站多年资料的收集，规定中对气象站多年资料中观测环境的记录有要求，对于多年平均值的选取则连同评估方法一样，未作明确的说明。随着我国经济的飞速发展，多数台站的观测环境已经大异于从前，有些只能搬迁以满足观测要求，而观测设备的变更则更为普遍。这种情况下，台站观测资料直接用于长期修正，其可靠性值得商榷。

实例分析

在我们开展前期和建设期咨询设计的风电场项目中，仅仅依据《评估方法》等进行短期数据的合理性判定时，数据分析结果并不能有效反映数据的合理性；测风塔设备或安装的问题也时常给评估工作带来很多不利因素；对于气象站多年资料的选取对评估工作也有不小的影响。下文中，我们以安徽、湖南、广西及云南等地的项目为例进行说明。

一、测风塔位置和风速

湖南某项目场区内设立了四座测风塔，其中0003#测风塔获得了两个坐标值，短期内没有现场确认的可能，给评估工作带来很大的不确定性。项目测风塔位置如图1所示。

为此，采用软件在测风塔间相互推算切变值的方法，并通过与实测值比较来初步确认测风塔的实际位置。从表1中可以发现，不同测风塔推算的同一位置的切变值尽管有一定差别，但总体接近，与实测值也较为一致，可见该方法具有一定的参考性。通过比较0003#测风塔位置1和位置2以及实测的切变值，初步判定位置2为实际位置，并依此开展资源评估工作。后续经现场确认，与实际位置相符。

同为该项目，四座测风塔平均风速对比中，0004#测风塔风速明显高于其他三座塔。依据《评估方法》，未发现数据异常。考察四座塔的Weibull分布参数时，发现0004#测风塔的K值明显高于其余三座塔，如表2所示，判定该测风塔设备可能发生故障。后续经设备更换，其K值与其余测风塔接近。

在场区只有单测风塔的情况下，虽然其各项参数均满足《评估方法》的要求，而该塔风速确存在问题，若将该塔用于资源评估，势必影响对场区资源状况的判断，干扰对风电场的投资决策。该项目中，多测风塔的优势得以显现。不仅在风速判断上，还在测风塔位置的判断上得到较好的体现。对于复杂地区的风能资源评估，除在测风设备选用和安装时应严格按照相关规定外，更建议在场区内选立多个测风塔。

二、测风塔风向

安徽某项目场区呈长条状山脊，测风塔位于山脊顶部，地势开阔，四周均无遮挡。依据《评估方法》，对于单测风塔而言，风向数据的合理性分析，主要包括数据范围和不同高度间的相关性检验。

图1 湖南某项目测风塔位置示意图

图2 安徽某项目测风塔风向玫瑰图（左70m，右10m）

表1 湖南某项目风切变实测与推算值

表2 湖南某项目测风塔风速与Weibull分布参数

分析测风塔70m和10m高度风向分布，如图2所示。70m和10m主导风向均为NNE，两个高度逐时风向相关性检验亦符合《评估方法》中的规定。分析当地气象站数据，发现该地区多年主导风向为东南和西北，与测风数据差异很大。经现场对测风设备检测后，发现风向仪已经故障。更换设备后的风向结果与当地气候状况较为一致。该实例是基于自身分析无法判定的特例。

广西某项目属于典型山地风场，场区内共设立三座测风塔，沿山脊排布。其中0001#塔和0002#塔测风时段较长，0003#塔数据较少。同时0002#塔由于受冰冻影响，存在部分缺测数据，因此0001#测风塔以其测风时段长度和数据完整性成为主要参考塔。项目测风塔位置如图3所示。

图3 广西某项目测风塔位置示意图

图4 广西某项目0001#塔和0002#塔风向玫瑰图

在风向分析中，如图4所示，0001#测风塔风向主要出现在NNW，0002#测风塔主要出现在NNW和S，测风时间较短的0003#测风塔，风向主要出现在N、S、NNW和SSE扇区。0001#塔和其余两塔有明显区别。

现场情况看，0001#测风塔所在位置西北方向海拔逐渐增加，测风塔受遮挡情况严重，其余方向无遮挡，测风塔周边地形如图5所示。结合周边测风塔数据情况与近期更换风向仪后的数据，该塔之前70m高度风向数据可能存在错误。

风向相比风速容易被忽略，却极大得影响风电场的风电机组排布，同时对风电场的发电量尤其是山地风电场的发电量影响甚大，其影响幅度甚至可能达到50%。风向问题的原因包括设备故障以及安装时无正北校正等。单测风塔情况下，可以根据当地气象站，结合区域气候特点以及再分析数据等判断风向数据的合理性。多测风塔情况下，可在此基础上增加测风塔间的相互验证以判断数据合理性。

三、测风塔湍流强度和入流角

湍流强度和入流角，以其对风场发电量和风电机组安全性的影响，越来越为大家所重视。本节以湍流强度为例进行说明，其处理方法也为入流角问题提供了借鉴。

云南某项目属于高山风电场，测风塔位于山脊，现场情况如图6所示。依据测风数据计算场区资源分布，并进行风电机组排布。在分析风电机组各项风能参数时，发现相当部分机位的湍流强度值超过风电机组安全指标。分析测风塔湍流强度时，未出现湍流突增现象，而是整体湍流强度偏大。

现场踏勘发现，该测风塔测风设备的安装方向以当地气象站的风向为参照，而高山场区的盛行风向与之差异较大，结果造成该测风数据受塔影效应影响，未能真实反映场区的风流状况。为此，测风塔设备安装时，除考虑气象站外，也应结合场区实际做适应性调整。

四、气象站多年数据

风电场需要长期运行，多数测风塔往往只有一年的数据。气象站多年数据在一定程度上弥补了这个缺陷。然而随着迁址、观测环境变化以及观测设备变更等因素不断出现，给气象站多年数据的使用带来了诸多不确定性。

山东某项目测风数据经气象站修正后高于预期，限制了机型选择空间。在对所选用气象站的观测环境与设备使用情况考察后，选取了观测环境较为一致的时段，并将数据做归一化处理，气象站现场情况如图7所示。以处理后的多年数据修正风电场测风数据。改善后的计算结果，扩大了机型选择空间，在满足机组安全性前提下，更有效地利用当地资源，提高风电场的发电量。

图5 广西某项目0001#测风塔周边地形

图6 云南某项目测风塔

图7 山东某项目气象站

结语

当前国家的政策和风电开发形势，使得风电场前期的资源评估工作愈发重要，要求也愈发细致，评估工作的难度也相应越来越大。

目前评估工作中主要参照的评估方法，其数据判断时间节点多为短期，通过实际评估经验来看仅仅进行此项判断，不能有效反映数据的合理性；测风塔安装设备方面的问题给评估带来很多不利因素；此外，气象站长期资料的选取也对评估工作有不小的影响。

单测风塔风向实例属于无法通过自身分析判定的特例，需结合考虑当地气象站、区域气候特点及再分析数据等进行验证；多测风塔在风向、风速数据判别中的优势，在多个实例中得以体现，结合软件进行的相互验证则为数据的合理性判别提供了另外的途径。

实例中测风设备的安装方位导致湍流记录值偏大，源自山区风场中气象站与场区风流状况的差异。为此，在测风设备安装过程中，除严格按照国家规定外，也应该根据当地实际作适应性调整。

实例中多年气象站资料对测风数据的修正，影响了机型选择范围。多年资料包含了观测环境，仪器变更和站址变迁施加的影响，使用时需加以考察并做归一化处理，以整理出相对合理的长期数据。

(作者单位：北京聚合电力工程设计有限公司)