風電場50年一遇最大風速計算方法總結

文 | 高興強

風電場50年一遇最大風速計算方法總結

文 | 高興強

風電開發必須進行可行性研究，選擇風能資源較好的區域進行風電場建設。風電場50年一遇最大風速是風電場風能資源分析的重要指標，是風電機組選型的重要參考，是保證風電機組安全有效運行的重要前提。

本文主要按照《風電場風能資源評估方法》的要求取得的風能資源數據進行50年一遇最大風速的分析，總結的方法有WasP Engineering分析法、Windographer分析法、五日雷暴法、最大風速比值修正法、切變推求法、風壓推求法、五倍平均風速法等多種方法。

WasP Engineering分析法

利用WasP Engineering計算50年一遇最大風速（V50－max）所需要的基礎資料有風電場所在地區的矢量地形圖、測風塔位置坐標、實測的大風數據等。其中，矢量地形圖可以借助Global Mapper軟件獲取。下面簡單總結一下WasP Engineering的操作步驟：

（1）導入矢量地形圖

新建一個工程，選擇風電場所在區域的矢量地形圖，如圖1所示。勾選“Use new gridding method”選項，框選風電場所在區域，導入地形圖。

（2）新建測風塔

調用“Insert new site into”命令，將測風塔的位置落到地形圖上，如圖2所示。

（3）導入一個實測的大風數據

如在測風塔一個實測的大風為方向180，風速35m/s，調用“Insert wind into”命令，如圖3所示輸入相關是數據。

（4）修改觀測點的高度（heights）

調用“Insert new height into”命令，修改觀測點的高度，如圖4所示。

（5）評估50年一遇最大風速

調用“Observed extreme wind climate from file”命令，導入實測的OEWC文件（由WAsP Climate Analyst工具導出），如圖5所示。最后，調用“convert to a regional extreme wind climate”命令，得到REWC。

如圖6所示，50年一遇最大風速V50－max＝37.6m/s。需要注意的是，在這里要按下“toggle apply to site”圖標。

圖1 新建工程

圖2 Maps and sites

圖3 Winds

圖4 Heights

圖5 導入OEWC文件

圖6 生成REWC文件

表1 Site list

表2 50 year wind [m/s]

另外，通過Tools中的Reporting功能，還可以輸出word格式的報告文件如表1和表2。

Windographer分析法

利用Windographer計算50年一遇最大風速操作步驟比較簡單，如下：

（1）將測風數據（NRG導出的10min測風數據）導入軟件中，進行相關是設置，軟件便會自行計算各種參數。

（2）調用“Analyze”下拉菜單下的“Extreme Wind Analysis”，就可以得到測風塔各高度的極端風速，包括20年、25年、50年、100年一遇最大風速（10－min means）和3s極大風速（Gusts）。計算結果如圖7所示，V50－max＝30.5m/s。

圖7 Extreme Wind Analysis

五日雷暴法——耿貝爾分析法的一種變形

耿貝爾分析法的原理是：選取氣象站連續N個年最大風速樣本序列（N≥15），通過計算極值I型概率分布的相關參數（包括：均值、標準差、尺度參數、位置參數），利用公式計算得50年一遇最大風速。

（1）

五日雷暴法是通過選取代表年每五日10min平均風速的最大值樣本序列（N＝73），通過計算極值I型概率分布的相關參數，利用公式（2）計算得50年一遇最大風速。此方法相對于耿貝爾分析法的優勢在于，只需要一年的實測風數據，在沒有可靠的相關氣象站資料的情況下，也能給出可參考的結論。

（2）

在這里，主要通過EXCEL創建公式模板（如圖8和表3）來計算50年一遇最大風速，計算步驟如下：

（1）選取五日最大風速樣本序列（N＝73）

18.5 14.4 16.5 17.7

16.1 16 14 18.7 12.3

12.7 13.4 17.5 11.7

15.2 15.9 14.8 17.3

18.5 14.4 15.6 11.7

11.8 15 12 14.7

12.3 15.1 18.5 18.2

12.1 12 14.9 13.2

10.7 13.7 15.2 12.1

15.3 19.8 16.7 19.8

14.1 16.7 16.3 23.3

17.7 15.6 15.2 23.7

15.5 18.9 15.4 12.3

12.4 13.1 18.8 23.4

22.4 15.6 15.1 24.5

15.8 14.7 18.8 18.8

14.1 16.4 25.4 17.4

15.4 18.8 20.5 19.9

將以上數據放到名為“73個數據”的工作表中，從A1－A73依次排列。

（2）求均值，調用公式

“＝AVERAGE( )”

圖8 五日雷暴法EXCEL模板

表3 耿貝爾C1、C2系數表

＝AVERAGE('73個數據'!A1:A73)＝16.192

（3）求標準差，調用公式“＝STDEV( )”

＝STDEV('73個數據

'!A1:A73)＝3.294851

（4）計算C1、C2

由于N＝73，無法直接查取相應的系數，在此利用“插值法”計算，得出C1＝1.187907，C2＝0.555403

（5）求尺度參數α和位置參數μ α＝B12/B8＝0.360534

μ＝B5－B13/B16＝14.65128

（6）求50年一遇最大風速

V50－max＝B17－(1/B16)*LN(LN

((50*73)/(50*73－1)))＝37.4018m/s。

最大風速比值修正法

當風電場與氣象站共處一個風帶，且距離較近時，可根據氣象站50年一遇最大風速（V50－氣象站），以測風塔與氣象站同時段實測最大風速的比值進行修正，計算公式如下：

V50－max＝ V50－氣象站*（V測風塔/V氣象站）其中，V測風塔、V氣象站分別為測風塔和氣象站同期實測最大風速。

切變推求法

根據氣象站50年一遇最大風速（V50－氣象站），用風電場10m高度與氣象站小時平均風速相關推求得到10m高度的50年一遇最大風速，再根據風切變指數推求其他高度。

風壓推求法

圖9 風壓推求法EXCEL模板

風壓推求法的原理比較簡單，就是利用風壓公式（ωp＝0.5ρv2）變形反推近地面50年一遇最大風速，然后利用風切變指數推求其他高度風速。創建EXCEL模板如圖9所示。

（1）輸入空氣密度和風壓值，即可得近地面50年一遇最大風速（計算公式為：“＝SQRT(2000*B3/ B2)”）。風壓值可查詢《建筑結構荷載規范》。

（2）輸入輪轂高度及切變值，即可得到輪轂高度50年一遇最大風速（計算公式為：“＝((B5/10)^B6)*B4”）：

V50－max＝31.825m/s

五倍平均風速法

Weibull曲線是一種用于擬合風速頻率分布的線型，由形狀參數k和尺度參數c決定。中國地區的k值通常在1.0－2.6之間。

歐洲風電機組標準Ⅱ中建議，在中緯度（南北緯30度－60度之間）地區，地形比較平坦的風電場，當Weibull 分布的形狀參數k≥1.77時，可以用五倍平均風速來計算50年一遇最大風速，即V50－max/Vave＝5 是合適的。

如果所建風電場地形比較復雜，Weibull 分布的形狀參數1.4≤k≤1.5時，必須要提高這一比率，即V50－max/Vave＝6.6，才能符合風電場要求。

由1032#測風塔10min風速數據，計算得到Vave＝7.403m/s，k≥1.77，因此，可以推算50年一遇最大風速：

V50－max＝7.403*5=37.015(m/s)

結語

風電場50年一遇最大風速的計算方法有很多，在此僅總結這幾種，借助風能資源分析軟件及excel模板，以期能為后續類似風電場工程提供借鑒，同時，通過不同方法計算的50年一遇最大風速能夠為項目可行性研究報告中機組選型提供更加有利的參考。

當然，由于筆者經驗和能力有限，這些方法還存在很多不足之處，還望廣大專家學者能夠批評指正。

（作者單位：龍源寧夏風力發電有限公司）