民权风电场风能资源特性分析

张泽慧，康 庄

河南省商丘市气象局，河南商丘 476000

风能是提高低碳能源产量的可行选择,可再生能源需求的持续增长要求扩大风电场规模，并安装在风力资源丰富的地方。对于风电场最佳位置的规划和选择需要多个领域的专业知识[1]。我国的风能资源丰富，开发前景十分广阔[2]。风能资源评估是风能资源开发中一项极其重要的基础性工作，是确定风电场选址、装机容量及布置的依据[3]。由于风能会受到地理位置、地形条件以及气候状况的影响，因此计算各种风能参数必须科学、准确。正确评估风能已成为气象学科中一个重要课题。

民权县位于河南省东部地区，地形平坦，风能资源较丰富，具有一定的开发利用价值。利用河南省商丘市民权县风电场2座测风塔观测资料，根据相关风能资源技术规范，对民权风电场区域风能资源状况进行了评估分析，为合理有效地开发利用当地风能资源提供科学依据，对有关部门制定风电发展规划具有重要意义[4]。

1 民权风电场概况

民权县位于河南省东部，地处豫东平原，属于暖温带大陆性季风气候，受季风气候的影响，可再生性风能资源丰富。河南华电商丘民权100 MW风电场位于河南省商丘市民权县西北部的平原区域，海拔在55～75 m之间，属平原风电场。场址内地形平坦开阔，交通网络发达，运输和安装条件较好。场内共安装了32台风力发电机组，其中，18台单机容量为3.0 MW的风力发电机组、14台单机容量为3.3 MW的风力发电机组。风机叶片长度均为80 m，轮毂高度为140 m，风电场年上网电量为27 374万kW·h，平均单机年上网电量为684万kW·h。风电场提供清洁无污染能源，符合环保要求。与相同发电量的火电相比，每年可节约标准煤约8.485 9万t，每年可减少SO2排放量约1.801万t、CO2约4.106万t、NOx排放量约1 546.631 t、节水84.859 4万m3。有害物质排放量的减少，减轻了大气污染，发挥了节能和环保的作用，对地方经济发展和环境保护贡献巨大[5]。

本工程为可再生能源项目，是国家鼓励发展的能源项目，不耗费能源资源，符合国家能源发展战略要求。工程建成后，每年可向电网输送 28 395万 kW·h的上网电量，可改善电网电源结构，有利于当地国民经济的可持续发展。本工程的建设有利于当地劳动力市场和建材市场的繁荣，增加社会就业机会。工程建成后，可为地方带来较多的税收，有利于当地经济发展。

2 数据来源及评估方法

2.1 数据来源

数据来自河南华电商丘民权100 MW风电项目2座测风塔测风数据。场区范围内及其附近共设立2座测风塔，编号分别为1#、2#，2座测风塔的距离约为10 km。各测风塔塔高均为150 m，均观测有风速、风向、气温、气压等项目。观测记录为每10 min一个，每一个观测仪器占用一个记录通道。每一个记录通道记录有10 min之内的平均值、方差、最大值、最小值共4项。

测风塔观测内容有风速、风向、气压及温度等。风速参数采样时间间隔为1 s，自动计算并记录每10 min的平均风速和每10 min的风速的标准偏差值；极大风速为每3 s采样一次的风速的最大值，每10 min自动记录；风向参数采样时间间隔为1 s，并自动计算和记录每10 min的风向值、风向标准偏差。每10 min采样并记录温度参数和大气压力参数。

收集到1#和2#测风塔自2019年6月1日00:00～2020年5月31日23:50时段的完整年数据。鉴于2座测风塔风速观测通道较多，结合测风塔选取的代表年时段观测高度，以及目前主流风机的风轮距地面最低高度在30 m以上、轮毂高度在90 m以上，因此重点分析了150、140、130、120、100、90、70、50 m这8个通道，风向重点分析150、120和100 m这3个通道。

2.2 数据处理

使用国家标准《风电场风能资源评估方法》（GB/T 18710—2002），测风数据处理包括对数据的验证、订正，并计算评估风能资源所需要的参数。数据验证是检查风场测风获得的原始数据，判断其完整性和合理性，检验出不合理的数据和缺测的数据，经过处理，整理出至少连续一年完整的风场逐小时测风数据。数据检验包括：完整性检验、合理性检验、不合理数据和缺测数据的处理。检验后列出所有不合理的数据、缺测的数据及其发生的时间，再次对不合理数据进行判别，挑出符合实际情况的有效数据，回归原始数据组。将备用的或可供参考的传感器同期记录数据进行分析处理，替换已确认为无效的数据或填补缺测的数据。计算测风有效数据完整率应达到90%。经过各种检验，剔除掉无效数据，替换有效数据，整理出至少连续一年的风场实测逐小时风速风向数据。

数据订正是根据风场附近长期测站的观测数据，将验证后的风场测风数据订正为一套反映风场长期平均水平的代表性数据，即风场测风高度上代表年的逐小时风速风向数据。

根据风电场观测的数据和气象参证站与测风塔同期数据相关关系，通过完整性检验、范围检验，并进行插补订正，得到完整一年的测风数据资料。经检验，气压观测10 min值低于检验判别标准数据较多，气压观测基本无效，其他均未违反以上检验判别标准。

2.3 评估方法

2.3.1 空气密度根据测风塔观测资料分析可知，2座测风塔进行了气温、气压观测，但气压观测值无效，本次依据收集到的观测数据，结合海拔推算场址区空气密度[6]。根据《风电场风能资源评估方法》，计算公式为：

式（1）中，ρ表示空气密度，单位：kg/m3；T表示年平均开氏温标绝对温度，单位：℃+273；z表示风电场海拔高度，单位：m。

由于测风塔的气温观测高度与风电场预装轮毂高度高程有一定差异，用经验公式推算风电场其他高度空气密度：

式（2）中，ρz2表示风电场其他高度处空气密度，单位：kg/m3；ρz1表示实际观测高程的空气密度，单位：kg/m3；z2表示风电场其他任何一高度，单位：m；z1表示实际观测点高程，单位：m。

2.3.2 平均风功率密度平均风功率密度指单位面积上的风能，是表征某地区风能资源的重要指标。平均风功率密度计算公式：

式(3)中，Dwp表示设定时段的平均风功率密度，单位：W/m2；n表示设定时段内的记录数；ρ表示空气密度，单位：kg/m3；vi表示第i个记录风速值，单位：m/s。

2.3.3 风能频率以1 m/s为一个风速区间，统计各测风塔各高度的风速和风能在不同风速区间出现的频率。

2.3.4 湍流强度湍流是指风速、风向及其垂直分量的迅速扰动或不规律性，是重要的风况特征和评价气流稳定程度的指标。湍流特征很重要，因为它对风力发电机组性能有不利影响，主要是降低输出功率，还可能引起极端载荷，最终削弱和破坏风力发电机组[7]。采用同时段平均风速和标准偏差来计算湍流强度。计算公式为：

式（4）中，IT表示湍流强度；σ表示10 min风速标准偏差，单位：m/s；V表示10 min平均风速，单位：m/s。

2.3.5 风切变指数风切变指数可描述风矢量在垂直方向上的空间变化情况[8]。风切变指数采用如下公式计算：

式(5)中，α表示风切变指数；v2表示高度z2处的风速，单位：m/s；v1表示高度z1处的风速，单位：m/s；z2表示任一高度；z1表示一般取10 m高度。

2.3.6 50年一遇最大风速和50年一遇极大风速在中纬度地区，当Weibull分布的形状参数k≥2.0时，可用5倍平均风速计算50年一遇最大风速[9]。计算公式如下：

式(6)中，V50max表示风电场50年一遇最大风速；Vave表示风电场年平均风速；c1表示经验系数，取值为5.0。

50年一遇极大风速采用如下系数公式推算：

式(7)中，V50e表示风电场50年一遇极大风速；V50max表示风电场50年一遇最大风速；c2表示经验系数，取值为1.4。

3 风能资源特性分析

3.1 空气密度

依据收集到的观测数据，利用公式（1）、（2）计算2座测风塔各高度的空气密度，结果见表1。由表1可知，2座测风塔随着高度的升高空气密度都是增加的，即低层空气密度大，高层空气密度小；同一高度上，1#测风塔空气密度大于2#测风塔空气密度，即1#测风塔空气密度大，2#测风塔空气密度大。1#、2#测风塔10 m高度空气密度分别是1.213 8、1.209 3，150 m高度空气密度分别是1.196 9、1.192 5 kg/m3。

表1 测风塔各高度空气密度

3.2 风速和风功率密度的年内变化

根据2个测风塔记录的风速值和上述公式计算的空气密度，利用公式（3）计算各测风塔各测风高度的风功率密度，得到各测风塔各测风高度的风速和风功率密度年内变化情况。分析可知：2座测风塔各测风高度的风速、风功率密度年内变化基本一致，2—5月风速、风功率密度较大，1月、7—9月风速、风功率密度较小。图1为1#、2#测风塔140 m代表高度风速和风功率密度年内变化曲线图。月风功率密度最大月与最小月的差距较大，120 m高度风功率密度最大月与最小月的比值分别为3.7、3.6，130 m高度风功率密度最大月份与最小月份的比值分别为3.7、3.8，140 m高度风功率密度最大月份与最小月份的比值分别为4.0、3.8，150 m高度风功率密度最大月份与最小月份的比值分别为4.0、4.0。

图1 1#、2#测风塔140 m高度风速和风功率密度年内变化曲线图

3.3 风速和风功率密度日分布

从全年的日变化来看，各测风塔各高度的风速、风功率密度日变化基本一致，总体呈波浪型，白天小、夜晚大；风速、风功率密度从06:00逐渐减小，在09:00～17:00较小，18:00以后逐渐增加，在22:00～次日02:00左右达到最大值。图2为1#、2#测风塔140 m高度风速和风功率密度日变化分布图。

图2 1#、2#测风塔140 m高度风速和风功率密度日变化图

3.4 风速和风能频率分布

分析各测风塔各风速段风速频率、风能频率分布。

1#测 风 塔50、70、90、100、12、130、140、150 m高度上有效风速段的有效小时 数 分 别 为3 858、5 652、6 052、6 302、6 317、6 384、6 416、6 484 h，风速频率分别为43.9%、64.3%、68.9%、71.7%、71.9%、72.7%、73.0%、73.8%，风能频率分别为90.7%、96.0%、97.5%、98.0%、98.3%、98.7%、98.5%、98.7%。

2#测风塔50、70、90、100、120、130、140、150 m高度上有效风速段的有效小时数分别为4 850、5 853、6 114、6 175、6 456、6 404、6 519、6 465 h，风速频率分别为55.2%、66.6%、69.6%、70.3 %、73.5%、72.9%、74.2%、73.6%，风能频率分别为92.3%、96.1%、97.6%、97.7%、98.4%、98.4%、98.6%、98.8%。

图3为1#、2#测 风 塔140 m代 表高度风速、风能频率分布图。由图3可知，在有效风速段内，风速基本集中在3.5～11.4 m/s之间，风能集中在3.5～13.4 m/s风速段。

图3 1#测风塔（a）、2#测风塔（b）140 m高度风速与风能频率分布图

3.5 风向频率和风能密度方向分布

统计各测风塔100、120、150 m高度全年风向频率和风能密度方向分布，绘制全年风向、风能玫瑰图，120 m代表高度风向和风能玫瑰图见图4。由图4可见，1#测风塔主风向、主风能风向稳定，多数集中于SSW扇区；2#测风塔主风向、主风能风向稳定，多数集中于S扇区。综合两个测风塔风向分析，所在区域主风能方向主要集中在SSW～S和N～NNE扇区，风能较为集中，有利于风机的排布、稳定运行和提高风电场发电力。

图4 1#测风塔、2#测风塔120 m高度风向和风能玫瑰图

湍流强度用于度量相对于风速平均值而起伏的湍流的强弱，对风电场建设而言，主要关心的是大风速对风机的影响，较小的风速对风机的影响不大[10]。因此，分别选取4、12、15、18 m/s以上，以及风速介于14.5～15.4、14.0～16.0 m/s之间的风速，用公式（4）计算湍流强度。各测风塔各高度平均湍流强度结果见表2。

表2 测风塔各高度湍流强度

1#测风塔各高度平均湍流强度在0.054～0.233之间，2#测风塔各高度湍流强度在0.054～0.159之间。70 m高度上各风速段湍流强度最大，120 m高度上风速14.5～15.4 m/s时的平均湍流强度分别为0.128、0.120，120 m高度上、风速14.0～16.0 m/s期间的平均湍流强度分别为0.131、0.105。按《风力发电机组设计要求》（GB/T 18451.1—2012/IEC61400-1:2005）标准，湍流强度等级为B级。

3.6 风切变指数

利用公式（5）幂指数函数对测风塔风速随高度变化的规律进行拟合。1#测风塔各高度的风切变指数在0.153～0.853之间，2#测风塔各高度的风切变指数在0.110～0.484之间，其中1#测风塔100～120、100～140高度风切变指数分别为0.153、0.249，2#测风塔100～120、100～140 m高度风切变指数分别为0.435、0.323。1#和2#测风塔各高度风切变拟合结果分别为0.259 7、0.191 1。

3.7 50年一遇最大风速、极大风速

利用公式（6）计算各测风塔各高度50年一遇最大风速，利用公式（7）计算各测风塔各高度50年一遇极大风速，计算结果见表3。由表3可知，2座测风塔各高度50年一遇最大风速、极大风速分布规律一致，即随着高度的上升最大风速和极大风速都是递增的，但是在同一高度上，2#测风塔比1#测风塔数值大。1#测风塔140 m 处的50年一遇最大风速、极大风速分别为28.1 m/s、39.2 m/s，2#测 风 塔140 m 处 的50年一遇最大风速、极大风速分别为28.2、39.5 m/s，2座测风塔数值接近，分别相差0.1、0.3 m/s（表3）。

4 结束语

利用民权县风电场2座测风塔观测资料，依据风能资源技术方法，通过计算空气密度、风功率密度、风能频率、湍流强度、风切变指数、50年一遇最大风速和极大风速等风能参数，分析了当地各项风能资源参数的变化规律及其特征。结果表明，风速、风功率密度年内变化基本一致，日变化总体呈波浪形，白天小、夜晚大，有效风速和风能基本集中，风场主风向、主风能风向稳定，风能较为集中，有利于风机的排布、稳定运行和提高发电力，湍流强度为中等，50年一遇最大风速均小于37.5 m/s。由此可见，当地风能资源较好，具有一定的开发利用价值。