風(fēng)電場(chǎng)50年一遇安全風(fēng)速計(jì)算方法的對(duì)比分析

馮長(zhǎng)青，包紫光，王成富

（1.內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，甘肅 寧夏 750001）

建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)最基本的條件是要有能量豐富、風(fēng)向穩(wěn)定的風(fēng)能資源，但風(fēng)能資源越好的地區(qū)，發(fā)生大的破壞性風(fēng)速的概率越高，容易使風(fēng)機(jī)倒塌造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)國(guó)際風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，50年一遇最大（10 min）和極大（3 s）風(fēng)速是決定風(fēng)電機(jī)組極限載荷的關(guān)鍵指標(biāo)，也是風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中機(jī)組選型和經(jīng)濟(jì)評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)之一。所以在風(fēng)電場(chǎng)可行性研究階段對(duì)風(fēng)電場(chǎng)不同高度50年一遇最大和極大風(fēng)速的估算成了必不可少的一項(xiàng)內(nèi)容。

在我國(guó)風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，多用《全國(guó)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》[1]中的耿貝爾玉型極值概率分布法估算風(fēng)電場(chǎng)10皂高度50年一遇最大風(fēng)速，再以氣象站與風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的相關(guān)性和平均陣風(fēng)系數(shù)1.4推算風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同高度50年一遇極大風(fēng)速。這種方法存在的問(wèn)題是，由于我國(guó)有長(zhǎng)期資料的氣象觀測(cè)站點(diǎn)相對(duì)較少，取得資料不夠統(tǒng)一、詳細(xì)，氣象站普遍距離擬開(kāi)發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)較遠(yuǎn)，且二者的地形地貌差別較大，兩地風(fēng)速的相關(guān)性、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同高度風(fēng)速的相關(guān)性都是隨風(fēng)速的增大而變化的[2]，所以計(jì)算結(jié)果會(huì)有一定的誤差，僅以此計(jì)算結(jié)果只能說(shuō)明測(cè)風(fēng)點(diǎn)處的極大風(fēng)速，并不能說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)每個(gè)風(fēng)機(jī)位置的極大風(fēng)速情況，所以本文在參考國(guó)內(nèi)外已經(jīng)較成熟的極值估算方法的基礎(chǔ)上[3]，采用Meteodyn WT軟件計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)機(jī)輪轂高度處的50年一遇極大風(fēng)速，并通過(guò)比較分析，探討風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)輪轂高度處50年一遇極大風(fēng)速計(jì)算結(jié)果的不確定性，為風(fēng)電事業(yè)提供參考。

1 風(fēng)電場(chǎng)概況

本文選取內(nèi)蒙古地區(qū)不同復(fù)雜程度的4個(gè)風(fēng)電場(chǎng)及其距離最近的氣象站測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。A風(fēng)電場(chǎng)地勢(shì)較平坦，海拔高度為1 202耀1 220 m，測(cè)風(fēng)塔位于風(fēng)電場(chǎng)的東南面，離氣象站距離約為28 km。B風(fēng)電場(chǎng)地勢(shì)較平坦，海拔高度為1 780耀1 871 m，測(cè)風(fēng)塔位于風(fēng)電場(chǎng)的西面，離氣象站距離約為20 km。C風(fēng)電場(chǎng)地形較復(fù)雜，海拔高度為1 416耀1 633 m，測(cè)風(fēng)塔位于風(fēng)電場(chǎng)的西南面，離氣象站距離為33 km。D風(fēng)電場(chǎng)地形較復(fù)雜，海拔高度為1 751耀1 888 m，測(cè)風(fēng)塔位于風(fēng)電場(chǎng)的南面，離氣象站距離為40 km，相對(duì)位置見(jiàn)圖1。

圖1 氣象站與風(fēng)電場(chǎng)的相對(duì)位置

2 風(fēng)電場(chǎng)的安全等級(jí)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中需考慮的外部條件取決于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝的預(yù)定場(chǎng)地或場(chǎng)地類型，依據(jù)風(fēng)速和湍流參數(shù)確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的等級(jí)[4]。按50年一遇極大風(fēng)速可將風(fēng)電場(chǎng)的安全等級(jí)劃分為3級(jí)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)類型也有3級(jí)，見(jiàn)表1。50年一遇極大風(fēng)速越大，需要的風(fēng)機(jī)等級(jí)越高，風(fēng)機(jī)的抗風(fēng)性能越好[5]。50年一遇極大風(fēng)速是判斷風(fēng)電場(chǎng)的安全級(jí)別的主要指標(biāo)，它的計(jì)算準(zhǔn)確與否直接決定了風(fēng)電場(chǎng)的安全合理性。

表1 風(fēng)電場(chǎng)的安全等級(jí)劃分表

3 極大風(fēng)速計(jì)算方法和結(jié)果分析

3.1 耿貝爾極值玉型的概率分布法

在擬建風(fēng)電場(chǎng)的可行性研究階段對(duì)風(fēng)電場(chǎng)極大風(fēng)速的計(jì)算多采用耿貝爾極值玉型的概率分布法。根據(jù)氣象站歷年最大風(fēng)速資料，采用Gumbel型進(jìn)行頻率計(jì)算，風(fēng)速的年最大值采用I型概率分布，其分布函數(shù)為：

式中，u為分布的位置參數(shù)，即分布的眾值；琢為分布的尺度參數(shù)；

分布的參數(shù)與均值滋和標(biāo)準(zhǔn)差滓的關(guān)系按下式確定：

式中，滋為平均風(fēng)速，m/s；Vi為逐時(shí)風(fēng)速，m/s；n為一年中逐時(shí)風(fēng)速的個(gè)數(shù)；滓為標(biāo)準(zhǔn)差；琢為分布的尺度參數(shù)；c1、c2為矩法估算參數(shù)；u為分布的位置參數(shù)。

氣象站50年一遇最大風(fēng)速V50_MAX按下式計(jì)算：

1）氣象站和風(fēng)電場(chǎng)10 m高度處50年一遇最大風(fēng)速：利用氣象站近40年的最大風(fēng)速資料，計(jì)算出氣象站10 m高度處50年一遇最大風(fēng)速；再由氣象站與風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔10 m高度的風(fēng)速相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖2）計(jì)算得出風(fēng)電場(chǎng)10 m高度50年一遇最大風(fēng)速，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 氣象站和風(fēng)電場(chǎng)10 m高度處50年一遇最大風(fēng)速(10 min)

圖2 氣象站與風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔10 m高度的日最大平均風(fēng)速相關(guān)關(guān)系

2）風(fēng)電場(chǎng)輪轂高度處（65 m）50年一遇最大風(fēng)速和極大風(fēng)速：在國(guó)際風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，以統(tǒng)計(jì)平均陣風(fēng)系數(shù)1.4推算50年一遇極大風(fēng)速，主要是為了便于風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷的測(cè)算?，F(xiàn)在我國(guó)風(fēng)能資源評(píng)估中也多用這樣的陣風(fēng)系數(shù)，由50年一遇最大風(fēng)速推算極大風(fēng)速。因此，本文根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔最大風(fēng)速間風(fēng)切變指數(shù)可將風(fēng)電場(chǎng)10 m高度處50年一遇最大風(fēng)速推算至通常輪轂高度處（65 m）50年一遇最大風(fēng)速，再采用平均陣風(fēng)系數(shù)1.4計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)65 m高度處50年一遇極大風(fēng)速。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)電場(chǎng)65 m高處50年一遇最大風(fēng)速（10 min）和極大風(fēng)速（3 s）m/s

從表3采用耿貝爾極值玉型概率分布法的計(jì)算結(jié)果可以看出，A和B風(fēng)電場(chǎng)屬于3類風(fēng)場(chǎng)，C和D風(fēng)電場(chǎng)屬于2類風(fēng)場(chǎng)，因此，根據(jù)此計(jì)算結(jié)果在風(fēng)機(jī)選型上A和B風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)選擇3類風(fēng)機(jī)，而C和D風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)選擇2類風(fēng)機(jī)。

3.2 Meteodyn WT推算法

Meteodyn WT是由法國(guó)Meteodyn公司開(kāi)發(fā)的適用于任何地形條件的風(fēng)流自動(dòng)測(cè)算軟件，該軟件在風(fēng)資源評(píng)估中的優(yōu)點(diǎn)是能減少?gòu)?fù)雜地形條件下評(píng)估的不確定性，得到整個(gè)場(chǎng)區(qū)的風(fēng)流情況。Meteodyn WT通過(guò)載入地形數(shù)據(jù)、定義繪圖區(qū)域、定義測(cè)風(fēng)點(diǎn)以及結(jié)果點(diǎn)，根據(jù)測(cè)風(fēng)點(diǎn)的極大風(fēng)速能推算出每個(gè)風(fēng)機(jī)位置的極大風(fēng)速。在地勢(shì)平坦地區(qū)，氣象站和風(fēng)電場(chǎng)地形地貌差別較小，地形對(duì)風(fēng)速的影響較小，所以采用耿貝爾極值玉型概率分布法的計(jì)算得到的風(fēng)電場(chǎng)極大風(fēng)速有一定的參考價(jià)值。但對(duì)于地形復(fù)雜的高山地區(qū)，氣象站和風(fēng)電場(chǎng)地形地貌差別較大，地形對(duì)風(fēng)速的影響較大，兩地風(fēng)速的相關(guān)性、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同高度風(fēng)速的相關(guān)性都是隨風(fēng)速的增大而變化的，耿貝爾極值玉型概率分布法的計(jì)算得到的風(fēng)電場(chǎng)極大風(fēng)速并不能完全代表風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)每個(gè)風(fēng)機(jī)位置處的極大風(fēng)速。所以針對(duì)不同復(fù)雜程度的風(fēng)電場(chǎng)采用Meteodyn WT軟件利用測(cè)風(fēng)點(diǎn)處的極大風(fēng)速推算風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)位置處的極大風(fēng)速，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 Meteodyn WT對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)機(jī)位置處65 m高極大風(fēng)速推算值m/s

從表4可以看出，在地形較平坦的A和B風(fēng)電場(chǎng)，采用Meteodyn WT推算出A風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)50年一遇極大風(fēng)速（3 s）在45.5耀46.5 m/s之間，B風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)50年一遇極大風(fēng)速（3 s）在46.4耀50.2 m/s之間，與耿貝爾極值玉型概率分布法推算的50年一遇極大風(fēng)速（3 s）相差很小，都屬3類風(fēng)場(chǎng)；在地形復(fù)雜的C和D風(fēng)電場(chǎng)，采用Meteodyn WT推算出C風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)50年一遇極大風(fēng)速（3 s）在55.5耀60.4 m/s之間，D風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)50年一遇極大風(fēng)速（3 s）在54.2耀60.6 m/s之間，與耿貝爾極值玉型的概率分布法推算的50年一遇極大風(fēng)速（3 s）相差很大。

從最終結(jié)果看，以往只以測(cè)風(fēng)塔處的50年一遇極大風(fēng)速代表整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的極大風(fēng)速狀況并不完全合理。采用耿貝爾極值玉型的概率分布法推算的C和D風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔處50年一遇極大風(fēng)速(3 s)屬2類風(fēng)場(chǎng)，而采用Meteodyn WT推算的該風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)該為1類風(fēng)場(chǎng)。可見(jiàn)，在不同條件的風(fēng)電場(chǎng)中，采用不同方法計(jì)算出的輪轂高度處50年一遇極大風(fēng)速的結(jié)果是存在一定差別的，越是復(fù)雜的地區(qū)，差別表現(xiàn)得越明顯。所以在不同復(fù)雜情況的地區(qū)，應(yīng)結(jié)合長(zhǎng)期氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，并選取多種方法進(jìn)行分析計(jì)算，以減少一些不確定因素帶來(lái)的誤差。

4 結(jié)論

1）由于長(zhǎng)期資料的氣象觀測(cè)站資料不夠統(tǒng)一、詳細(xì)，氣象站普遍距離擬開(kāi)發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)較遠(yuǎn)，且二者的地形地貌差別較大，由耿貝爾玉型極值概率法計(jì)算50年一遇極大風(fēng)速的結(jié)果都會(huì)存在一定的不確定性，有些地形復(fù)雜的地區(qū)，采用耿貝爾玉型極值概率法計(jì)算得到的極大風(fēng)速并不能完全代表整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的極大風(fēng)速狀況。

2）在不同復(fù)雜情況的地區(qū)，應(yīng)結(jié)合長(zhǎng)期氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，并選取多種方法進(jìn)行分析計(jì)算，以減少一些不確定因素帶來(lái)的誤差。對(duì)于本文所選的4個(gè)風(fēng)電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果而言，在平坦的A和B風(fēng)電場(chǎng)，2種方法計(jì)算得到的極大風(fēng)速果相差較小，都能代表風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的極大風(fēng)速狀況，但對(duì)于復(fù)雜的C和D風(fēng)電場(chǎng)，2種方法計(jì)算得到的極大風(fēng)速相差很大，因此，采用Meteodyn WT計(jì)算結(jié)果較優(yōu)，更能降低由于風(fēng)機(jī)倒塌造成經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]國(guó)家發(fā)改委.全國(guó)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定.發(fā)改能源[2004]865號(hào)，2004，4：4-6.

[2]呼津華，王相明.風(fēng)電場(chǎng)不同高度的50年一遇最大和極大風(fēng)速估算[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2009，20（1）:108-113.

[3]楊振斌，薛桁，桑建國(guó).復(fù)雜地形風(fēng)能資源評(píng)估研究初探[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2004,25（6）:744-749.

[4]宮靖遠(yuǎn).風(fēng)電場(chǎng)工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：386-387.

[5]張江華.風(fēng)電場(chǎng)安全風(fēng)速計(jì)算方法研究[J].黑龍江電力，2007，29（6）:459-452.