风能资源评估技术进展

刘飞虹

摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，风能资源评估技术的发展已有近40年的历史。风电开发技术的进步不断地对风能资源评估提出更高的要求，越来越多的先进技术应用于风能资源评估，如雷达探测、卫星反演、中尺度数值模拟、计算流体力学（CFD）数值模拟、地理信息系统（GIS）等。风能资源评估技术的不断进步也必将带动大气边界层湍流、计算风工程和电力气象等学科的发展。

关键词：风能资源；评估；技术

引言

根据中国第四次风能资源详查和评价工作结果，中国近海5～50m水深线以内的风能资源技术开发量为5亿kW，海上风能资源丰富。根据全球风能理事会的数据，2017年中国海上风电新增装机容量116万kW，累计总装机容量达279万kW，全球排名第三。海上风电项目的开发需考虑风能资源、海洋水文、海底地质条件、电网接入和消纳等多方面的因素。其中，风能资源的测量及评估是海上风电项目开发的基础。

1重新认识风能资源

近十年以来，风电机组不断向大型化方向发展，叶尖高度超过200米、风轮直径超过150米的大型风电机组屡见不鲜，如此的发展趋势给风能资源评估带来了新的挑战。现有的风能资源评估技术是建立在经典近地层相似理论基础上的，近地层相似理论中假设地表动量通量和热量通量随高度不变，此假设仅适用于高度100米左右的近地层。在地面到300米高度的大气边界层下层，常通量假设就不再适用，而且高度超过100米以后还需要考虑地转偏向力的作用。近地层中是地表摩擦力和气压梯度力平衡作用下的大气运动，而近地层以上是地表摩擦力、气压梯度力和地转偏向力三力平衡作用下的大气运动。在叶轮扫风范围内，除了风速随高度变化以外，风向也会随高度转变，而且风速的垂直分布也不是一个单调函数就能描述的。因此，重新认识风特性，拓展或重新建立风能资源评估理论和技术方法，成为近年来国内外风电领域的研究重点。

2分散式风电风能资源评估关键技术

2.1虚拟测风塔技术

虚拟测风塔技术是指，将风电行业的两大数据——测风塔观测数据和中尺度数据进行融合，根据不同的地形条件及项目特点使用不同的后处理方式，在230多万种排列组合的结果中比选更优的方案结果，结合人工智能方法进行后处理，输出完整年风速数据，提升中尺度风速模拟精度。现有的虚拟测风技术以金风科技的GOLDWRF技术为主要代表，通过大量数据验证GOLDWRF输出的虚拟测风塔数据，在平原地形下风速误差约在0.1～0.3米/秒；对于复杂的山地地形，风速误差约在0.3～0.5米/秒。在项目的前期规划阶段，通过虚拟测风塔技术可以为分散式风电项目的资源评估提供相对准确的风能资源数据，避免出现“盲人摸象”的情况。

2.2无人机三维建模技术

所见即所得。无人机三维建模技术是分散式风电项目地形数据获取的新途径，它基于空中航空摄影测量原理，利用高清影像和相应的位置姿态数据，经过空中三角测量和构建模型等过程生成覆盖区域的三维实景模型，生成不同分辨率/覆盖面积的三维实景模型，模型分辨率可高达厘米级，地物清晰可见。具有低成本、方便快捷、灵活机动、高效率、高分辨率等特点。凭借自身的技术优势，可快速、高效获取高分辨率的影像数据，无人机三维建模技术成为传统航空摄影测量的有效补充手段。将无人机采集回来的数据进行三维建模，生成超高厘米级分辨率的物理三维模型，通过结合VR、AR技术，还原现实分散式风电真实场景。通过对分散式风电项目进行三维建模，不但可以减少时间经济成本，更能直观了解项目现场情况，为项目设计提供地形信息数据。

2.3风电大数据技术

通过对分散式風电项目进行定位，利用风电大数据平台自动匹配附近20千米以内已建成的风电场或者是周边以往的测风数据，对分散式风电项目的资源进行准确评估。每一台风电机组就是一座测风塔。经过数十年的发展，全国范围内已经有大约8万台机组正在运行中，通过机舱传递函数，将SCADA记录的风速数据还原到叶片前的自由流风速；通过风角、偏航角等参数还原机组位置处的风向；通过SCADA记录的秒级数据，对场区的湍流进行数学统计计算。利用运行机组数据有效、准确地评估分散式风电项目场区内风况，也是在场区内无塔情况下最好的资源评估办法。

2.4激光雷达补测技术

激光雷达具有体积小、观测域广、便于移动的特点，借助激光雷达对分散式风电项目进行至少3个月的风速、湍流、切变观测，进一步获取项目风能资源参数，保证机组的安全性，降低投资的不确定性。通过激光雷达观测的风速数据，可用于分析选用项目风区发电量最优的机型；通过激光雷达观测的湍流数据，可用于分析选用适应场区湍流风况安全的机型；通过激光雷达观测的切变数据，可用于分析选用更适合场区经济性的轮毂塔架高度机组。激光雷达补测技术为分散式风电项目资源评估中不可缺少的手段，能够直接有效地保障机组的安全性。

3中国风能资源评估技术发展方向

当前，风电场选址对精细化风能资源数据集的需求越来越迫切。高时空分辨率的风能资源数据集可以用来对实际测风资料的长年代订正、为CFD计算提供入口和边界条件、制作虚拟测风塔风速数据等，尤其是可以为分散式风电开发的选址直接提供虚拟测风塔。中国地域辽阔，制作高时空分辨率的风能资源数据集需要消耗巨大的计算资源，后期对数值模拟的校验也需要大量的实际测风数据。所以，对中国的风电场宏观选址来讲，集中力量制作可公开获取的、经过测风数据校验的、高时空分辨率的风能资源数据集是最有效的途径，不仅可以直接为风电场宏观选址提供风能资源参数，也能够为风电场流场的CFD计算提供输入，带动风能资源评估技术水平的整体提高。目前，我国已有多个研究机构和企业制作了高分辨率风能资源数据集，但是由于对测风资料或数据订正技术的掌握程度有限，影响了数据的可靠性。因此，迫切需要寻找一个有效的途径，建立高时空分辨率的风能资源数据集共享机制，集中技术力量和数据资源进行风能资源数据的校验和订正。此外，未来我国风能资源评估技术的发展还包括：针对中国复杂风能资源特性，开发中尺度气象模式、CFD模式和风电机组尾流模型组成的模式链，并建立模式链的共享机制；研发大气模式与海浪模式耦合的海上风能资源评估技术；建立单台风电机组和整个风电场运行与边界层大气的相互作用数学物理模型，开展大规模风电开发的环境和气候效应研究。

结语

随着政策在全国的落地，分散式风电将进入快速发展期，并带动风电行业装机量持续快速增长，资源评估的重要性将得到进一步凸显。在开发分散式风电项目中，优先推荐运用测风塔对场区进行测风、准确的资源评估。在无测风塔的项目中，首先，通过风电大数据技术、虚拟测风塔技术、激光雷达补测技术获取项目的气象数据；再通过无人机三维建模技术、地物识别技术获取地理信息数据；最后，通过高精度仿真技术来模拟项目的资源分布，保证项目设计的经济性和安全性。数字化、大数据技术的进步为分散式风电项目的发展保驾护航。

参考文献

[1]宋莉丽，周荣卫，杨振斌，等.风能资源开发利用的气象技术应用和发展[J].中国工程科学，2012，14（9）：96-101.

[2]徐宝清，吴婷婷，李文慧.风资源评估中风切变指数的研究[J].内蒙古工业大学学报，2014，33（2）：99-104.

（作者单位：明阳智慧能源集团股份公司）