風電機組輪轂高度比選中風切變指數的應用分析

文 | 胡己坤，王海華，李慶慶，袁紅亮，劉瑋

（作者單位：中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司）

為適應不同地區風能資源特點，風電機組廠家通常會為一款風電機組配置多種不同輪轂高度的塔架，目前國內風電開發普遍向低風速區發展，高塔架的使用不僅成為提高風電場發電量的有效手段，甚至可能決定著項目能否最終上馬，近年來鋼-混凝土混合塔架及柔性塔架技術發展，風電機組經濟可利用輪轂高度明顯上升，低風速區域測風塔高度率先向120～150m發展，但仍有大量早期設立的70m、80m高度測風塔用于風電場設計，這就對風切變指數的擬合及使用提出了更高的要求。本文通過案例分析論證了現有風切變指數計算方法的局限性，提出6～11m/s風速段風切變指數對發電量估算結果影響最大，在評估時應重點予以考慮。

數據來源

甘肅酒泉東部某地120m高測風塔（下文簡稱1#測風塔）完整一年有效測風數據。測風塔所在地區為戈壁灘，周邊地形平坦開闊。

風切變指數計算

1#測風塔塔高120m，分別在120m、110m、100m、90m、80m、70m、50m、30m和10m高度各安裝有一套風速計，經檢驗處理后統計得到該測風塔各高度完整一年平均風速統計見表1。

按照指數公式計算1#測風塔不同高度之間風切變指數，計算公式為：

式中，α為風切變指數，Va、Vb分別為高度為Za、Zb處的平均風速。

1#測風塔各高度之間風切變指數擬合結果見表2。

從表2可以看出，1#測風塔高層風切變指數整體較大，其中90m和120m之間的風切變指數達0.145。此外若根據各時段風切變指數求平均值的方法得到風切變指數為0.151，根據大于3m/s風速的各時段風切變指數求平均值的方法得到風切變指數為0.139，采用風廓線指數擬合的方法得到風切變指數為0.146，三種方法計算得到的風切變指數均較大。

由于測風塔風切變較大，120m高塔架的經濟性可能優于90m高塔架。本文以單機容量2500kW的某款風電機組為例，在測風塔周邊按照梅花形布置25臺風電機組進行發電量估算比較，其中方案一為90m高鋼制塔架，采用1#測風塔90m高度實測風速資料進行計算，方案二和方案三均為120m高預應力混凝土-鋼混合塔架，方案二采用1#測風塔120m高度實測風速資料進行計算，方案三采用90m高度實測資料通過風切變指數推算得到的120m風速數據進行計算（風切變指數以工程設計中最為常用的指數擬合方法為例計算得到，取0.146），理論發電量估算結果見表3。

表1 1#測風塔各高度完整一年平均風速統計表

表2 1#測風塔各高度之間風切變指數擬合結果表

從表3可以看出，與方案一相比，方案二與方案三理論發電量分別提升了4.53%和5.17%，方案三增幅更大，說明通過0.146的風切變指數推算出的120m高度風速數據較實測值偏大。

不同風速段風切變指數差異及影響

現有風切變指數計算方法的計算思路均為通過測風塔全部或部分數據，得出一個單一風切變指數值以擬合真實的風廓線特征。從算例中可以看出，這種單一的風切變指數值實際上并不能全面反映風廓線特征，因此出現了輪轂高度比選方案三中估算得到的發電量偏高的問題。

經研究發現，1#測風塔盡管在90m高度以上的整體風切變指數達0.146，但不同風速段風切變指數差異較大，1#測風塔90～120m高度不同風速段風切變指數變化曲線見圖1。

由圖1可以看出：

（1）1～4m/s風速段是風切變指數的最大值區，為0.232～0.438，但由于此時風電機組處于未切入或剛剛啟動狀態，對發電量增加幾乎沒有貢獻；

（2）20～28m/s風速段是風切變指數的次大值區，為0.150～0.222，但由于此時風電機組處于滿發或切出狀態，對發電量增加亦沒有貢獻；

（3）11～20m/s風速段是風切變指數的較大值區，為0.128～0.154，但由于此時風電機組處于滿發狀態，對發電量增加同樣沒有貢獻；

（4）4～11m/s風速段風電機組出力隨風速增大不斷增加且尚未達到額定功率，是風切變引起發電量增加的有效區域，其中4～6m/s風速段風切變指數較大，為0.156～0.158，但風能僅占4～11m/s風速段總風能的7.7%，且此時風電機組剛剛切入，出力較小，對發電量增加貢獻不大；6～11m/s風速段風能占4～11m/s風速段總風能的92.3%，風電機組出力快速增加，對發電量增加貢獻最大，但風切變指數較小，僅0.124～0.143，這是造成采用風切變指數推算高層風速時導致發電量被高估的主因。

表3 各方案理論發電量估算結果表

圖1 1#測風塔90～120m高度不同風速段風切變指數變化曲線

考慮到不同風速段風切變指數存在差異且對發電量估算的影響亦不相同，采用分風速段擬合風切變指數很可能有助于降低發電量估算誤差。采用指數擬合方法，按照1m/s為一個風速區間分別估算各段風切變指數，據此通過90m高度實測資料推算120m高度風速數據并進行發電量估算，得到算例中120m高度的理論發電量為19678.8萬千瓦時，與90m高度相比發電量增加比例為4.75%，與方案三相比理論發電量估算誤差減小了79.1萬千瓦時。

結論

目前常用的風切變指數均是通過全部或部分測風數據計算得出的一個綜合性數據，以此指導風電機組輪轂高度比選具有一定的局限性。實際上，風切變指數在不同風速段的大小是不同的，各風速段風切變指數對發電量的影響程度也不相同，其中6～11m/s風速段的風切變指數影響程度最大，在進行風電機組輪轂高度比選中若用于發電量估算的風速數據是由風切變指數推算獲得，則應重點關注6～11m/s風速段的風切變指數。