重庆市山地地区近地层风切变研究

梅 亮

(华润新能源投资有限公司四川分公司，四川 成都 610000 )

0 引言

根据《国务院关于印发2030 年前碳达峰行动方案的通知》[1]，到2030 年，风电、太阳能发电总装机容量将达到12 亿kW 以上。截至2021 年底，我国风电装机3.28 亿kW、光伏发电装机3.06 亿kW[2]，距离12 亿kW 的目标还有很长一段距离。2022 年国家发改委和国家能源局联合印发的《“十四五”现代能源体系规划》[3]指出，加快负荷中心及周边地区分散式风电的建设。分散式风电项目受制于国家政策和电网消纳等因素，装机容量一般在6 ～50 MW 之间，装机容量较小。出于建设成本和时间成本考虑，部分投资企业前期未设立测风装置，其项目风能资源评估参考周边地区测风塔的风切变指数，导致投资的项目出现发电量不及预期，偏差较大的情况。

近地层风切变指数表征风速随离地高度增加的变化程度，其值越大表示风速随离地高度增加的变化越大。风切变指数的变化与大气稳定度、地形地貌、地表粗糙度等条件有关。风能资源评估、风电机组选型等风电场选址评估的重要环节中，风电机组轮毂高度的变化对于机组载荷安全性评估和风电场投资效益的变化程度需要使用风切变指数这个重要参数。陈燕[4]等利用江苏省沿海地区的连续42 个月，时间间隔为10 min 长序列，高时间分辨率的5 座测风塔观测资料，分析了江苏不同地区及高度的风切变指数变化规律，结果表明风切变指数随环境在0.15 ～0.26 之间变化。崔阳[5]等利用湖北省27 座测风塔研究了湖北平原地区和山地地区的风切变特征差异。龚强[6]等利用辽宁省26 座测风塔完整年逐时测风数据，研究了风切变指数的季节变化、日变化以及风速大于10.8 m/s大风情况等条件下的近地层风切变特征，结果表明风切变指数空间分布规律不明显，受局地地形和地貌环境影响较大。龚玺[7]等分析了内蒙、河北、江西等地区100 m 湍流观测数据的风切变指数，结果表明在内陆的简单地形中，分层风切变指数大于0.4 的概率2.95%。国外也开展了风切变指数的研究，Farrugia[8]研究了在地中海气候条件下风切变指数的变化规律，结果显示实际测量的风切变指数与传统的1/7 固定取值差异较大；Dimitrov[9]等利用高度分布在60 m ～200 m 的2 个测风装置实测测风数据，分析了风切变指数在风电机组荷载计算分析中的验证结果，并认为不能随意采用风切变指数推算上层高度的风速。Maeda[10]等利用日本某处测风数据，通过低高度层的风切变指数将20 ～30 m 高度的风速推算至100 m 高度风速，结果显示推算的风速误差超过20%。

重庆地区多为山地地形，山地地区风切变指数变化受时间和空间的影响因素较多，利用传统的固定值风切变指数或周边测风塔风切变指数来推算其他山地地区风切变指数会引入较大的人为数据误差。重庆地区地形复杂，海拔落差大，地表附着物较多，部分区域森林茂密，不同地理位置的风切变指数差异较大。具有代表性的实测测风数据不多，国内针对重庆市山地地区近地层风切变指数的研究较少。本文利用重庆市内特定区域的7 座离地高度为80 ～90 m 并有10 ～70 m 各高度层的完整年测风塔数据，对比分析7 座测风塔风切变指数的季度变化、月度变化、日变化、高度变化、空间位置变化、以及不同风速段变化，与《风电场风能资源评估方法》[11]中无实测数据条件下的风切变指数参考值1/7(约0.143)对比分析误差，为重庆地区山地地区分散式的风电开发利用等提供风切变指数模拟参考。

1 测风塔数据

1.1 测风塔分布

重庆总的地势是东南部、东北部高，中部和西部低，西北部和中部以丘陵、低山为主，东南部和东北部有武陵山和大巴山两座大山脉。重庆市风能资源较好的地方主要分布在武陵山和大巴山山系及其周边，东部及北部海拔较低的地方风能资源较差。本次收集重庆地区7 座实测测风塔测风数据对重庆市西部、中部及东北部丘陵地区风切变进行研究，7 座测风塔覆盖了重庆市风能资源较好和较差的地方，具有一定的代表性，测风塔位置分布如图1 所示。

图1 重庆市7座测风塔位置分布图

1.2 测风塔测量信息

以重庆市内离地高度80 ～90 m 的7 座测风塔为研究对象，测风塔信息见表1 所列，其中1 座测风塔分布在西部山地地区，5 座测风塔分布在中部山地地区，1 座测风塔分布在东北部山地地区。7 座测风塔测量时间段见表1 所列，每座测风塔测量时间为1 个完整年。为便于研究，本文将50 m 以下高度称为下层，50 m以上称为上层，每座测风塔的测量高度见表1所列。

表1 重庆市7座离地高度80～90 m测风塔信息

1.3 测风塔数据处理

依据《风电场风能资源评估方法》[11]对7 座测风塔原始数据及各观测层数据的完整性、合理性和时空一致性进行检验，剔除无效数据。根据《风电场气象观测资料审核、插补与订正技术规范》[12]对缺测数据和无效数据进行插补订正，对于数据完整率较低的测风塔，在经过风速显著性及相关性检验后，利用同塔插补或周边相邻测风塔进行异塔插补订正，补充为完整年。最终7 座测风塔风速的有效数据完整率均达到90%以上。

2 风切变指数计算方法

风切变指数的计算方法可以采用指数律或对数律，目前大多数研究均推荐采用指数律方法[5], 具体表达式为：

式中：v1和v2分别为高度z1和z2处的平均风速，(m/s)；α为风切变指数。为了综合反应风切变状况，将式(1)两边取对数[5]，进而得到式(2)：

本文利用式(3)分别计算测风塔M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7 的风切变指数，并进行分析。

3 近地层风切变特征分析

风切变指数受不同地形、垂直高度及气候条件的影响具有一定的变化特征，对7 座测风塔开展风切变指数的时间和空间变化特征对比分析。考虑到分散式风电项目多为无实测测风数据的情况，基于重庆市7 座测风塔的实测数据，分析对比实测数据与《风电场风能资源评估方法》[11]中无实测数据情况下的风切变指数参考值的误差。

3.1 时间变化

3.1.1 季度变化

7 座测风塔季度的风切变指数变化范围如图2 所示，M1、M2、M5、M6 测风塔为夏季的风切变指数较大，M3、M4、M7 测风塔为秋季的风切变指数较大。

图2 重庆市7座测风塔不同季节的风切变指数

3.1.2 月度变化

7 座测风塔月度风切变指数变化范围为0.01 ～0.39。从图3 看出，M1 ～M7 风切变月平均最大值分别出现在7 月、6 月、10 月、10 月、7 月、6 月、9 月。M1 ～M7 风切变月平均最小值分别出现在12 月、12 月、6 月、1 月、1 月、9 月、12 月。7 座测风塔月度最大值和最小值不呈现相同月份的规律性特征。

图3 重庆市7座测风塔不同月份的风切变指数

3.1.3 日变化

7 座测风塔的日变化风切变指数差异较大，为更好的展示各测风塔在不同时刻的日变化，定义风切变i时段标幺值H：

式中：i表示每天相同间隔1 小时的时间段，αi时刻表示每天相同i时间段风切变指数的年平均值，α年表示所有时间段风切变的年平均值。

从图4 看出，除M1 和M7 外，其余5 座测风塔风切变指数日变化趋势相对平稳，上午9 点至下午18 点风切变指数相对其他时间段略有降低，呈现白天小、夜间大的昼夜特点。但M1 和M7 测风塔风切变日变化趋势剧烈，上午9 点至下午18 点风切变指数相对其他时间段相对较大，呈现白天大、夜间小，与其他测风塔相反的昼夜特点。7 座测风塔风切变指数的日变化存在白天和夜间的差异化现象，但并不是完全呈现白天小、夜间大的特点。

图4 重庆市7座测风塔每小时风切变指数标幺值日变化

3.2 空间变化

3.2.1 海拔变化

各测风塔位置均为山地区域，从图5 看出，测风塔的年风切变指数差异较大，变化范围是0.04 ～0.34，风切变指数并未随海拔高度呈现规律性变化。

图5 重庆市7座测风塔不同海拔年风切变指数变化

3.2.2 层高变化

为便于研究，本文将50 m 以下高度称为下层，50 m 以上称为上层。从图6 看出，编号为M1、M3、M7 的3 座测风塔上层风切变指数为负值，M2、M4、M5、M6 测风塔的上层风切变指数明显低于下层风切变指数。整体来看，7 座测风塔50 m 以上的上层风切变指数均小于50 m 以下的下层风切变指数。

图6 重庆市7座测风塔不同层高年风切变指数变化

3.2.3 风速段变化

从图7 看出，除M2、M5 外，其余测风塔在1 ～3 m/s 和3 ～5 m/s 的风速段，风切变指数相对全部风速段均较小。在大于5 m/s 的风速段，M2、M5、M6 呈现随风速增大而风切变指数变小的趋势，M1、M3、M4 和M7 呈现随风速增大而风切变指数变大的趋势。

图7 重庆市7座测风塔不同风速段风切变指数变化

3.3 参考值误差幅度分析

《风电场风能资源评估方法》[11]指出，如果没有不同高度的实测风速数据，风切变指数α取1/7(约0.143)作为近似值。重庆地区多为山地地形，风切变指数变化差异较大，以7 座实测测风塔数据，对比分析与1/7(约0.143)参考值的误差幅度。

从图8 看出，各测风塔相对于1/7(约0.143)的参考值，误差范围为15%～137%，误差幅度较大。重庆地区的分散式风电项目在无实测测风数据的情况下，需谨慎使用1/7(约0.143)的参考值。

图8 重庆市7座测风塔年风切变指数与参考值的误差幅度

4 结论

本文利用重庆市7 座离地高度80 ～90 m山地地区测风塔数据，研究分析了其时间和空间变化特征。

1) 7 座测风塔风切变指数总体呈现夏秋季风切变指数较大，冬春季较小的特点。

2) 7 座测风塔风切变指数的日变化存在白天(9：00 ～18：00)和夜间的差异化现象。

3)根据本文对7 座测风塔的分析发现，风切变指数大小与海拔高度无线性相关关系。

4) 7 座测风塔50m 以上的上层风切变指数均小于50 m 以下的下层风切变指数。

5) 7 座测风塔实测风切变指数变化范围为0.04 ～0.34，相比1/7(约0.143)的参考值，实测风切变指数误差幅度最高到达137%。

重庆市不同山地地区的风切变指数变化范围较大，季度、月度及日变化未呈现统一的规律性变化趋势。7 座测风塔50 m 以上的风切变指数小于50 m 以下的风切变指数，部分测风塔甚至出现负切变，同时相比1/7(约0.143)的参考值，实测风切变指数误差幅度最高到达137%。

通过本文的研究，重庆市山地地区风切变指数差异较大，在重庆市山地地区实施分散式风电的实际工程项目时，不应盲目采用项目周边地区测风塔的风切变指数或1/7(约0.143)的参考值。为准确评估项目风切变指数，建议分散式风电项目仍需设立测风装置。本次收集的测风塔数量仅有7 座，无法覆盖重庆南部、东部、西北部等山地地区，后续将继续收集测风数据，以完善重庆地区的结论。