垂直坡度地形风电场的风资源特性研究

刘 航，薛文亮

(中节能风力发电股份有限公司，北京 100082)

风电项目的投资决策离不开科学准确的风资源测量和评估，而山地风电场因其地形的复杂多样性，不但增大了风资源评估的难度，评估结果的不确定性也随之增加，给投资决策带来了困难，加大了项目投资的风险[1]。复杂地形风电场风资源的精准评估是目前行业的痛点，需要结合项目的各自特点，不断探索和总结，提升对复杂地形项目的认知[2]。

本文以湖北某山地风电场为实验对象，研究断崖山体所形成的垂直坡度地形的风资源特性。通过现场测风，对比分析断崖山体顶部不同位置的风速、湍流特性，从而了解垂直坡度地形的风资源分布特点、识别出潜在风险位置，为类似地形项目评估和机位选址提供参考。对于复杂地形的风电场，流体软件的仿真结果有时会出现较大的偏差，该研究同时对流体软件的仿真结果进行验证，避免在软件使用中出现误评。

1 测风位置的选择

图1为风电场所在位置的等高线地形图，风电机组计划安装在图1所示的中部山顶的台地区域。除西南方向一个较小的扇区范围外，台地周围被坡度较大的断崖包围，断崖为70°～90°的垂直坡度。山顶的台地内部为起伏较缓的山丘地形，海拔在2 080～2 200 m之间，山顶台地内部的地形相对简单。

为了研究气流流过断崖类的垂直坡度地形后，风速、湍流等风资源特征在山顶台地不同区域的变化情况，在现场设置了A和B两个测风点，进行同期平行测风，如图1所示。A点位于台地北部的断崖边缘地带，海拔2 155 m。B点远离断崖边缘，位于山顶台地的腹地，距离A点0.85 km，海拔2 160 m。A点和B点连线方向地势平缓，两点海拔高度接近，相差仅5 m，两点的地表粗糙度也基本一致。为了降低因山顶台地内部地形变化对本次研究的影响，仅对两点连线方向，即60°±15°扇区的来流风速进行取样分析。该方向的断崖坡角接近90°，崖顶到崖底落差约350 m，属于典型的垂直坡度地形。为了采集足够的样本数据，提升分析的准确度，两个位置同期平行测风3个月，采样间隔10 min，依据《风电场风能资源评估方法GB/T 18710-2002》进行数据处理后，有效数据完整率为80%，所研究的60°±15°扇区数据样本为871个。

图1 风电场等高线地形图及测风位置图

2 风资源特性分析

2.1 风速分析

对45°～75°扇区风速进行统计分析，风速统计结果见表1。在40 m、70 m和90 m三个不同高度上，断崖边缘A点风速显著低于台地腹地的B点风速，A点风切变明显高于B点。从表1中A点和B点的风速差值还可以看出，随着高度的下降，A点风速的下降速度快于B点。在山顶台地区域两点连线的45°～75°范围内，地形和海拔基本一致、粗糙度一致的情况下，导致风速差异较大的原因主要是来流方向的空气流过断崖，在垂直坡度地形的作用下，气流状态发生紊乱，导致水平方向的风能降低，越靠近地表，这一影响越严重。气流随着向台地腹地的深入，垂直坡度地形对风流的影响逐渐减小。

表1 A点和B点实测平均风速对比表 m·s-1

图2为使用风资源流体软件WT模拟的45°～75°风向扇区的全场风资源图谱。本次仿真使用B点90 m高度的测风数据进行模拟，A点的模拟风速为5.90 m/s，高于A点5.15 m/s实测风速，也高于B点5.60 m/s实测风速，A点的模拟风速与实测结果差异较大。软件模拟与输入的条件、参数的设置，以及人为因素均有较大关系[3-4]。如果不考虑这些影响因素的不确定性，仅从本次模拟结果可以看出，即使两点距离很近，使用腹地内的测风塔模拟断崖边缘的风资源会出现较大的模拟偏差。

图2 使用B点测风数据模拟45°～75°扇区的风资源图谱图

2.2 湍流强度分析

图3～图5是A点和B点在90、70 m、40 m三个不同高度的代表湍流对比图和湍流值对应表格(见表2)。在所研究的扇区范围内，山顶台地地形和整体地表粗糙度基本一致的条件下，因为A点位于垂直坡度的断崖顶部边缘，受地形影响严重，而B点位于台地腹地，地形影响减弱，所以实测结果为A点湍流显著大于B点。同时还可以看出，在40 m高度，A、B两点湍流差异大，而在90 m高度，两点湍流比较接近，说明高度越低，地形对断崖顶部边缘影响越严重，随着高度上升，影响减弱。

图3 A点和B点90 m湍流对比图

图4 A点和B点70 m湍流对比图

图5 A点和B点40 m湍流对比图

3 结 语

通过以上对垂直坡度地形风电场风资源特性的分析可知，如果来流风向上存在垂直或近似垂直的坡度地形，将对坡顶边缘位置的风速和湍流产生不利影响，而随着向腹地的深入，不利影响逐渐减弱。同时，坡顶边缘位置入流角过大也会严重影响机组关键受力部件的安全性能[5]。因此在风电场的机位选址时，为了充分利用场内风能资源，提高机组的发电性能，确保机组能够安全可靠地运行，在主导风向上应尽量避免选择垂直坡度地形的坡顶边缘位置，而是选择远离坡顶边缘、气流恢复的腹地更加合理和可靠。

表2 A点和B点各高度湍流对比表