風切變指數對輪轂高度風速推算的影響分析

文 | 叢明，張吉

風切變指數對輪轂高度風速推算的影響分析

文 | 叢明，張吉

近年來，隨著低風速項目的增加以及風電機組技術的進步，風電機組塔架的高度越來越高，從100米增加到120米甚至更高，但實際測風儀器的高度并不完全滿足開發要求。準確計算并得到輪轂高度處的風能資源數據是風電場發電量估算的先決條件，在項目可研過程中需要利用垂直風切變指數推算出不同高度的風速計算發電量、比較經濟性指標，以確定最佳開發高度。本文以安徽某風電場測風塔與激光雷達數據結合分析風切變指數的確定對輪轂高度風速推算的影響。

激光雷達（LIDAR）是一種先進的移動測風設備，相較于常規測風塔，在測量上有明顯優勢：測量高度可擴展至200米以上，可設置多個測量層，便攜靈活。缺點是測量費用昂貴，難以長時間持續測量，不能代替測風塔。

風切變的指數定義

在近地層中，造成風隨高度垂直變化的原因有動力因素和熱力因素，前者主要來源于地面的摩擦效應，即地面的粗糙度，后者主要表現為與近地層大氣垂直穩定度的關系。

計算實例

一、測量數據

整個風電場范圍內布設有6個激光雷達測量點（本文中以編號JG01-JG06進行標識），所有雷達設備在投入使用前，都與測風塔進行了精度對比和校正，保證測量準確度。6個點位的測量時間周期都在2個月左右，本文考慮的測量范圍為40米至150米高度，以10米為間隔，共12個測量層。

采集到的測量數據包括六臺激光雷達測量點40米至150米共12層的10分鐘平均風速以及地面溫度數據。

二、不同高度及層數對風切變指數擬合的影響

依據當前主要測風塔的高度和主流風電機組的輪轂高度，按照測量高度大致將雷達數據分為40m－80m（5層、LOW level）、40m－120m（9層、MIDDLE level）、40m－150m（12層、HIGH level）三個級別，比較采用不同高度層進行擬合對風切變指數結果的影響。

如圖1中所示，六臺雷達在低、中、高三層高度擬合的風切變指數不同，可以大致分為三類：第一類是JG01和JG06，擬合結果是低層的指數值最小、中層次之、高層擬合的指數值最大；第二類是JG02和JG05，擬合的指數值在三個層次都基本一致；第三類是JG03和JG04，擬合的指數值，在低層最大、中層居中、高層最小，與第一類恰好相反。

三、溫度對風切變指數擬合的影響

比較六臺雷達測量點的下墊面溫度，JG06溫度最高為9.3℃，其后依次是JG01、JG05、JG02、JG04，最低為JG03的1.01℃，依據溫度相對的高低可分大致分為三類：高溫檔（JG06與JG01）、中溫檔（JG05與JG02）、低溫檔（JG04與JG03），與上文中不同層次擬合結果的分類一致（如表1）。說明地面平均溫度影響不同高度層次擬合的風切變指數結果：平均溫度比較高的情況下，隨著高度的增加以及參與擬合風速層數的增多，風切變指數結果越來越大；平均溫度較低時，隨著高度的增加以及參與擬合風速層數的增多，風切變指數結果越來越小。

四、風切變指數的擬合值對不同輪轂高度風速推算結果的影響

在上文根據溫度及不同層數計算的風切變指數值將六臺雷達測量點分成了三大類，三類中各取一個雷達測量點（JG01、JG02和JG03）為代表，利用其低層（40m－80m）風切變指數值推算不同輪轂高度處10分鐘風速序列，討論推導結果與實際的差值、平均絕對誤差以及推導序列與實際序列的相關關系，將輪轂高度分布設為90m、100m、110m、120m、130m、140m及150m，推算結果如表2－表4所示。

表1 不同溫度下激光測量點用不同高度數據擬合的風切變指數

表2 JG01測風點低層的風廓線對不同輪轂高度風速的推導（alpha=0.182）

表3 JG02測風點低層的風廓線對不同輪轂高度風速的推導（alpha=0.155）

三基激光測風點在不同輪轂高度處的風速推算結果顯示：（1）風速推導差值基本是隨高度增加而增大，其中JG01的推導風速低于實測值，JG02的推導風速與實測風速非常接近，JG03的推導風速全部高于實測值；（2）平均絕對誤差總體是隨高度增加而增大，其中JG02的平均絕對誤差最大；（3）推導序列與實測序列的整體相關性較好，但相關系數隨著高度增加而降低，其中JG02相關關系相對最差。

表4 JG03測風點低層的風廓線對不同輪轂高度風速的推導（alpha=0.155）

結論及討論

采用安徽省某個風電場的測風資料，系統地分析了40m－150m高度范圍內，不同高度、不同層數風速對擬合風切變指數的影響和原因，以及對不同輪轂高度風速推算結果的影響。

（一）風切變指數擬合時采用的層數不同、高度不同擬合的結果有差異，差異受下墊面平均溫度影響顯著。平均溫度較高的情況下，隨著高度的增加以及參與擬合風速層數的增多，風切變指數結果越來越大；平均溫度較低時，隨著高度的增加以及參與擬合風速層數的增多，風切變指數結果越來越小。

（二）通常情況下，利用80m高度測風塔的各層風速數據擬合出來的風切變指數推算120m及以下輪轂高度風速的結果是基本可靠的，但隨著輪轂高度的增加，需要注意風速推算誤差的增大。

（作者單位：中能電力科技開發有限公司）