海上風能資源和風電機組安全氣候區劃

文 | 張秀芝，齊浩

根據各省發展改革委制定的“十三五”海上風電開發規劃，到2020年全國海上并網發電550萬千瓦，開工建設1000萬千瓦，海上風電開發進入了快速發展期，并且趨向遠海和風電機組超大型化，海上風能資源和設計風速分布也就成為大家關注的重點。我國從渤海到南海南北橫跨44個緯度，由于影響各海域的天氣系統差別很大，使得各海域平均風況和極端風況分布差異明顯。

海上風能資源氣候區劃

以往海面風的分析一般依賴于長年代的船舶氣象觀測和島嶼站觀測資料，自20世紀80年代末有衛星觀測以來，由于具有空間覆蓋面廣、時間連續等優勢，在過去的10年里衛星遙感資料被廣泛應用于海面風的研究中。

一、衛星遙感資料分析風速分布

使用歐空局（ESA）GlobWave項目下法國海洋開發所對ERS1&2、TOPEX-Poseidon、GEOSAT Follow-ON（GFO）、 Jason-1、 Jason-2、ENVISAT、Cryosat和SARAL等9個衛星高度計觀測獲得的數據，經過數據的質量控制和校準、修正，形成了1991—2015年23年均勻一致的數據集。由于高度計數據校準的浮標數據分別來自歐洲浮標網絡、美國資料浮標中心和加拿大海洋環境數據服務網絡，因此在中國近海使用衛星數據之前必須經過與浮標觀測資料的對比分析。使用2008—2015年中國近海28個浮標實測風速與衛星同步觀測風速對比分析結果表明，聯合校準的衛星海面風速與浮標風速相關性很好，風速標準差在0.5～0.9m/s之間，具有很好的適應性。將多元衛星高度計聯合校準的沿軌海面風數據處理為0.5°×0.5°網格點日平均風速（海面10米高度），在此基礎上計算年平均風速。

二、船舶氣象觀測分析風速分布

船舶氣象觀測是海上很重要的資料來源。考慮到船舶在航行中定時觀測，非航線海域觀測樣本較少，為保證其分析的可靠性，使用美國國家海洋和大氣管理局整理的1961—2015年船舶觀測數據集，分析中國近海網格點年平均風速（海面20米高度）。

三、衛星與船舶觀測年平均風速融合

衛星觀測時空分布連續、水平分辨率高，但時間短；船舶觀測時間長，但空間分布不均。為了最大限度地利用各種觀測結果，分析衛星與船舶觀測的年平均風速差百分率，建立修正公式，在此基礎上得到中國近海綜合年平均風速（海面10米高度）分布圖。

四、中國近海風能資源區劃

依據IEC 61400-03 Design requirements for offshore wind turbines、IEC 61400-1Wind Turbines定義的風能資源等級，繪制中國近海10米高度6個等級的風能資源區劃圖（見圖1），由圖1可見臺灣海峽風能資源最好，向南和北延伸略差，北部灣風能資源最差。

圖1 海上風能資源區劃圖

風電機組安全等級區劃

在中國近海，引發大風的天氣系統，杭州灣以南以臺風為主，以北主要為強寒潮、強對流天氣和臺風。由于海上大風觀測資料匱乏，因此采取了多種手段計算建立50年一遇的大風樣本序列。

一、臺風風電場計算

臺風影響期間船舶避風進港，海面大風觀測資料極其缺乏，因此需要借助臺風風電場數值模型計算。研究表明，臺風在廣闊的大洋上大風分布接近于圓對稱，但在靠近陸地的過程中大風分布表現出明顯的非對稱性。日本、美國、中國很多學者致力于臺風風電場非對稱模型研究，這里使用胡邦輝建立的適用于大批量臺風個例計算的非對稱臺風風電場數值模型，計算了1961—2007年每個進入中國近海風電場的臺風大風，獲得每個臺風經過海域0.5°網格點上的最大風速。

二、杭州灣以南50年一遇最大風速計算

研究表明，杭州灣以南年最大風速基本由臺風造成，所以杭州灣以南50年一遇最大風速計算使用臺風風電場數值計算結果。由于每年進入中國近海的臺風次數、強度和路徑都不相同，因此每個網格點有的年份可能會有多個臺風造成的大風，有的年份可能沒有，這樣的大風序列適合使用Poisson-Gumbel 聯合極值方法。求得杭州灣以南0.5°網格點50年一遇最大風速分布圖（見圖2）。

圖2 臺風風電場數值模型計算風速得到的50年一遇最大風速分布圖

三、杭州灣以北50年一遇最大風速計算

影響杭州灣以北的大風天氣系統主要為寒潮、強對流和臺風。目前大型商船抗風能力都比較強，對于寒潮、強對流天氣一般可以正常航行并觀測。法國多元衛星高度計聯合校準的海面風數據集認為大于25m/s的風速可疑，但保留了樣本并做了標記，這樣我們在挑選大風樣本時逐個進行判斷確定取舍。分別對島嶼站觀測資料、船舶觀測資料、衛星觀測資料和臺風風電場數值模型計算的杭州灣以北的臺風大風中挑取網格點大風數據，由各種數據中選取最大值組成大風序列，利用Poisson-Gumbel 聯合極值分布計算杭州灣以北0.5°網格點50年一遇最大風速。

四、風電機組安全等級區劃

將計算所得的杭州灣南北的50年一遇最大風速合并，依據IEC 61400-1Wind Turbines定義的風電機組安全等級，將中國近海分為5類，可以看到浙南至閩北、粵東、海南島東部近海風速最大（見圖3），這是因為這些海域強臺風和超強臺風出現較多；臺灣海峽比上述三個海域50年一遇最大風速小，主要是影響臺灣海峽的臺風在穿過臺灣島的過程中損失了大量的能量，比直接登陸浙閩交界處和粵東的臺風強度弱。

圖3 風電機組安全等級區劃圖

攝影：景秀勤

綜合近海風能資源區劃和風電機組安全等級區劃，可以看到臺灣海峽風能資源最好，但50年一遇最大風速為IECⅠ類，是最佳的海上風電開發海域。長江口以北和北部灣中西部風能資源一般，但50年一遇最大風速相對較低，具有開發價值。浙南至閩北、粵東、海南島東部近海風能資源較好，但50年一遇風速會超IECⅠ類，主要是強臺風和超強臺風影響較頻繁，目前臺風型風電機組尚處于研發和試驗階段，建議對這些海域的風電場開發要慎重。

根據風能資源區劃和風電機組安全等級區劃，各級政府和設計院可以制定不同水深、不同離岸距離海上風電開發規劃，發電企業可制定海上風電場布局，風電機組和大部件制造企業可根據自身的優勢確定機組研發戰略。