广西桂林风电场设计风速推算实例分析

何如等

摘 要：利用桂林气象站经过一致性订正后的年最大风速资料，采用极值I型分布函数推算出桂林气象站50年一遇最大风速作为基本风速，根据风电场测风塔连续完整一年的实测最大风速资料，通过建立气象站与测风塔之间的相关关系，采用比值法将基本风速推算得出风电场各高度的设计风速。结果表明：桂林气象站10m高度50年一遇最大风速为20.3m/s；桂林气象站与测风塔70m高度的最大风速的比值为1.536；测风塔50m、70m、80m高度50年一遇最大风速分别为30.0m/s、31.2m/s和31.6m/s；风电场近似轮毂高度（80m）标准空气密度下50年一遇最大风速为29.1m/s，建议风电场采用Ⅲ类风电机组。

关键词：风电场；设计风速；极值I型；一致性订正

前言

风电场50年一遇最大风速作为风能资源评估中一个重要的设计参数，是决定风电机组极限载荷的关键指标，也是风电项目开发中机组选型和经济评估的关键指标之一[1-3]。根据风能资源评估的要求[4]，需要在风电场场址处设立测风塔开展至少连续一年的现场观测。由于测风塔观测的时间较短，需要结合附近具有代表性的气象站的长期观测资料来进行风资源分析。目前，风电项目的评估大多数通过建立参证气象站与测风塔风速的相关性，由气象站历年最大风速序列作为基础，推算风电场50年一遇最大风速[5-8]。随着全球气候变暖和城市化的加剧，气象站周边观测环境遭到了比较严重影响，对气象站历年最大风速序列进行一致性订正，能更好地反映该区域长年代风环境的变化特征。文章以桂林地区某风电场为例，探讨了基于气象站长期观测资料一致性订正基础上，采用极值I型分布函数推算风电场50年一遇最大风速的方法，为风电场的最大风速设计提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

收集桂林地区某风电场内一座70m高测风塔2012年4月1日00：00（北京时，下同）～2013年3月30日23：50实测的逐日10min平均最大风速资料，测风塔海拔高度为1358m，测风塔在距地70m、50m、30m与10m高度层安装有风速仪，在70m、10m高度安装有风向仪。

风电场邻近的长期观测气象站为桂林气象站，属国家基本气象站，无迁站记录。该站位于风电场的西北部，二者距离45km。桂林气象站观测场海拔高度为164.4m，风速风向观测仪距地10.5m。桂林气象站自1971年开始对10min平均最大风速进行观测，满足《建筑结构荷载规范》[9]中对资料年限的要求：“选取的年最大风速数据，一般应有25年以上的资料”。收集该站1971～2012年10min平均年最大风速及与测风塔同期观测的逐日最大风速数据。

1.2 思路和方法

1.2.1 基本思路和步骤

首先建立气象站历年最大风速序列，并对其进行一致性订正；采用极值I型概率分布函数计算出气象站50年一遇10min平均最大风速作为基本风速；建立气象站与测风塔同期最大风速序列之间的相关关系，采用比值法对测风塔50年一遇10min平均最大风速进行推算；采用幂指数法推算风电场不同高度上的设计风速。

1.2.2 气象站风速一致性订正方法

为了使桂林气象站年最大风速具有可比性，需要对其历年最大风速序列进行一致性订正。根据历史沿革情况，对历年最大风速序列分别进行高度订正、仪器订正和环境订正，方法如下：

（1）高度订正。按《建筑结构荷载规范》[9]的规定，将历年的测风高度统一订正到10m高度，其表达式为：

（2）测风仪器和环境订正。利用更换仪器前后各一年风速资料，利用t检验方法进行风速差异性检验，其公式为：

式（2）中：x1、s1、n1和x2、s2和n2分别为更换仪器前和仪器更换后样本资料的平均值、标准差和样本数。取信度α=0.01，如果tα>|t|，说明两次仪器更换前后两个样本差异不明显，不需要进行测风仪器的订正，否则需要订正，订正方法采用《风电场气象观测及资料审核、订正技术规范》[10]推荐的比值法。

对气象站周边环境变化较大年份的风速数据也采用上述方法进行检验和订正。

1.2.3 极值I型推算方法

风速极值的重现期计算一般有四种方法：极值I型分布、对数正态分布、Weibull分布和皮尔逊Ⅲ型分布。采用国家规范《建筑结构荷载规范》[9]推荐的极值I型分布函数，计算50年一遇10min平均最大风速。

1.2.4 气象站与测风塔风速的比值推算

由于测风塔资料年代短，不具备进行概率计算的条件，一般利用气象站的长年代测风资料推算出的基本风速换算到测风塔所在地。订正方法采用《风电场气象观测及资料审核、订正技术规范》[10]推荐的比值法，测风塔风速y与气象站风速x之间构成以下关系：

2 结果与分析

2.1 气象站最大风速推算

图1为桂林气象站1971～2012年经过订正前后的历年最大风速变化图。从桂林气象站实测的年最大风速来看，1977年以前、1985年以后风速偏小，根据历史沿革记录和现场考察发现，这是由于气象站更换仪器和观测场随着城市化发展周围环境发生变化造成的。

为了使桂林气象站年最大风速序列具有可比性，根据其历史沿革情况及相应历史平行观测记录，对桂林气象站历年最大风速序列分别进行高度订正、仪器订正和环境变化订正，订正后的历年最大风速序列见图1。

利用桂林气象站1971～2012年共计42年经过一致性订正后的10m高度10min平均年最大风速序列，采用极值I型分布方法，对桂林气象站的基本风速概率进行推算，得到桂林气象站50年一遇最大风速为20.3m/s。

2.2 测风塔与气象站相关检验和比值推算

由于大风和小风状况的相关关系明显不同，而抗风设计主要关注大风，因而，在满足统计样本数量的前提下，筛选测风塔的大风速样本，并对测风塔和桂林气象站同期最大风速样本进行相关检验和比值推算。

从测风塔70m高度处最大风速序列中选取日最大风速≥10.8m/s（6级）的大风样本，与相同时段桂林气象站的109个风速样本进行相关分析，二者的相关系数为0.720，通过0.01的信度检验，测风塔与气象站的大风风速样本比值为1.536。测风塔70m高度与桂林气象站最大风速相关性检验结果见表1和图2。

表1 测风塔70m高度与桂林气象站最大风速相关性检验参数

2.3 测风塔设计风速的估算

利用测风塔70m高度与气象站同时期的观测资料计算得到的比值（1.536），将桂林气象站50年一遇最大风速乘以该比值，从而得到测风塔70m高度50年一遇最大风速，为30.0m/s。

由于工程抗风计算更关注大风状况时的特性，根据测风塔各层大风样本的实测风速值，选取测风塔10高度一小时平均风速≥10.8m/s的样本资料，根据幂指数公式采用最小二乘法计算得到大风状况的风切变指数为0.112。结合测风塔70m设计风速推算结果采用幂指数公式，从而推算出测风塔距地10m～200m高度层50年一遇最大风速，结果见表2。

2.4 风电场风机选型推荐

风电场场址处70m高度空气密度为1.034kg/m3，将上述推算的测风塔设计风速结果换算到标准空气密度下各高度上的50年一遇最大风速（见图2）。根据IEC国际风机分类标准[1]（表3），测风塔80m高度（近似为轮毂高度）标准空气密度下50年一遇最大风速为29.1m/s，小于37.5 m/s，故建议该风电场采用Ⅲ类风电机组。

3 结束语

（1）采用桂林气象站1971～2012年历年最大风速序列，经过一致性订正后，利用规范推荐的极值I型分布方法，计算得到桂林气象站10m高度50年一遇最大风速分别为20.3m/s。（2）桂林气象站与测风塔70m高度处的最大风速的比值为1.536，风电场场址处大风状况的风切变指数为0.112，由此计算得到测风塔不同高度50年一遇最大风速，其中50m、70m、80m分别为30.0 m/s、31.2m/s和31.6 m/s。（3）该风电场近似轮毂高度（80m）标准空气密度下50年一遇最大风速为29.1m/s，根据IEC国际风机分类标准，建议该风电场采用Ⅲ类风电机组。

参考文献

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作者简介：何如（1983-），女，侗族，广西柳州人，硕士研究生，从事气象能源开发与气候应用服务研究。