風電工程中負切變現象的分析研究

吳 莎，余官培，盧 勝，朱一凡，汪 健，萬鵬飛

(湖北省電力勘測設計院有限公司，武漢 430040)

0 引言

準確分析風電機組輪轂高度處的風資源是估算風電場發電量的先決條件。在實際的風電場工程中，往往測風塔的測風高度與風電機組的輪轂高度不一致，因此，通過合理的風廓線推算出目標高度的風速情況顯得尤為重要。通常，風廓線由冪指數模型來表示，以風切變指數來表征風速隨高度變化而變化的情況。在實際風電工程中，會出現某層高度間的風切變指數為負值的情況，即負切變現象，這會造成風速外推計算的不準確性，從而影響風電機組的點位布置及其輪轂高度的選擇。

HELLMAN[1]提出的冪指數風切變模型是目前最常用的、簡單可行的計算風切變指數的公式，但冪指數形式的風切變模型忽略了粗糙度與大氣熱穩定性等因素對風廓線的影響。PANOFSKY等[2]提出了利用大氣熱穩定性函數和粗糙度來評估風切變指數的經驗公式。PASQUILL[3]把大氣熱穩定性分為了5個等級，即：極不穩定、不穩定、中性、弱穩定、穩定。劉瑋等[4]分析了不同大氣熱穩定性的判定參數，并結合大氣熱穩定性提出了新的風廓線外推模型。賀德馨[5]分析了不同地形對風特性的影響情況。但目前的研究中對實際風電工程中的負切變現象普遍缺乏分析研究。

基于此，本文對風電工程中負切變現象的主要影響因素進行了分析研究。針對粗糙度、復雜地形及大氣熱穩定性這3種條件分別對風切變特性的影響進行了分析，歸納了實際工程中常見的典型場景下的負切變現象，提出了合理的風切變特性分析方法，并給出了不同影響條件下風電機組的點位排布與風電機組輪轂高度選取的建議。

1 風切變模型及判定參數

1.1 風切變模型

風切變是指水平風速隨高度變化而產生的變化，風切變的輪廓稱為風廓線。本文所研究的風速均為水平風速。

風切變指數計算公式為：

式中，z1、z2為不同高度層的離地高度，m；u1、u2為z1、z2高度層的風速，m/s；α為風切變指數，其值與下墊面粗糙度、大氣熱穩定性、復雜地形有關。α值的大小決定了水平風速在垂直方向上的變化程度，表征風速隨高度增加的快慢，α值大，表示風速梯度大；α值小，表示風速梯度小。

1.2 負切變現象

一般情況下，大氣邊界層中，水平風速隨著高度的增加而增加，通常會呈現出冪指數模型形式的風廓線分布，如圖1a所示。風切變指數越大，風速的大小隨高度變化產生的變化越劇烈。在某些特殊情況下，尤其在復雜地形條件下，容易出現負切變現象，如圖1b所示。負切變往往會造成風速外推計算的不準確性，從而影響風電機組輪轂高度的選擇，并影響對風電機組輪轂高度處風資源的分析結果。

圖1 冪指數模型形式的風廓線分布Fig. 1 Wind profile distribution in form of power exponential model

1.3 粗糙度的概念

粗糙度是與粗糙程度相關的一個常數，表示下墊面風速為零的離地高度。下墊面是指與大氣下層直接接觸的地球表面，包括海洋、陸地及陸地上的高原、山地、平原、森林、草原、城市等。不同的下墊面粗糙度條件下，風廓線的差異很大。常見的下墊面的粗糙度經驗取值如表1所示。

表1 常見的下墊面的粗糙度經驗取值Table 1 Empirical values of roughness of common underlying surfaces

1.4 大氣熱穩定性及其判定方法

大氣熱穩定性是指大氣受到了垂直方向上的擾動后，能否回到原來的平衡位置的一種特性。大氣熱穩定性主要受太陽輻射與風速的影響。根據當前的理論，大氣熱穩定性可分為6個等級，即：極不穩定(A)、不穩定(B)、較不穩定(C)、中性(D)、較穩定(E)、穩定(F)。

常用的大氣熱穩定性的判定方法主要包括：

1)梯度理查森數判定方法。梯度理查森數Ri

[6]是通過風速、溫度梯度來判斷大氣的熱穩定性，對風速、溫度參數的精度要求較高。

2)總體理查森數判定方法。當風電場場區的跨度較大、測風數據的時間尺度較長時，可用總體理查森數RiB[7]代替Ri。

3)水平風向標準差判定方法。當測風塔無溫度梯度數據時，可采用水平風向標準差σθ[8]來計算大氣熱穩定性。該方法適用于平坦開闊地形。

4)垂直溫度梯度判定方法。垂直溫度梯度ΔT/Δz(其中，ΔT為不同高度層的溫差；Δz為高度差)[8]可反映熱力湍流的影響，以此來判定大氣熱穩定性。

5)風速比判定方法。風速比UR反映了大氣湍流擴散能力，適用于風速大、穩定性級別高的大氣熱穩定性判定。

6) Monin-Obukhov判定方法。Monin-Obukhov的長度L[6]表征了湍流切應力和浮力對湍動能貢獻的相對大小，可以此來判定大氣熱穩定性。

在上述常用的大氣熱穩定性的判定方法中，由于RiB對風速、溫度梯度的精度要求較低且適用范圍廣，因此，本文選擇總體理查森數判定方法進行分析。

RiB的計算公式為：

式中，g為當地的重力加速度；T2、T1分別為上、下高度層的溫度；T′為上、下高度層的平均溫度。

不同學者基于RiB提出了各自不同的判定大氣熱穩定性的等級劃分標準，具體如表2所示。

表2 不同的基于RiB的大氣熱穩定性的等級劃分標準Table 2 Different classification criteria of atmospheric thermal stability based on RiB

2 負切變現象的成因分析

2.1 下墊面粗糙度造成的影響

粗糙的表面比光滑的表面更容易在近地層中形成湍流，使風速充分垂直混合。混合作用加強會使近地層的風速梯度減小，而梯度風的高度增高，即粗糙度高的下墊面比粗糙度低的下墊面到達梯度的高度更高，所以粗糙的下墊面層中的風速比光滑的下墊面層中的風速小。

而在2種粗糙度類型的下墊面相接的過渡段，下風向的風要經過一段距離才能使其狀態重新適應新的粗糙度情況，此時風廓線就會變得十分復雜。當風由光滑的下墊面吹向粗糙的下墊面時，風廓線形狀會在近地層部分變窄，使上高度層的風切變指數比下高度層的大，就會在風廓線中部形成1個拐點；當風從粗糙的下墊面吹向光滑的下墊面時，風廓線形狀會在近地層部分變大，使上高度層的風切變指數比下高度層的小，從而導致風廓線中部出現負切變現象。其中最典型的案例就是潮間帶海上風電場，當風從陸地吹向海洋時，就容易出現負切變現象；而當風從海洋吹向陸地時，風廓線就容易出現拐點。不均勻粗糙度對風廓線的影響如圖2所示。

圖2 不均勻粗糙度對風廓線的影響Fig. 2 Effect of uneven roughness on wind profile

2.2 復雜地形造成的影響

地形對大氣邊界層中的風特性影響十分顯著。一般來說，山地地形可分為2類：隆升地形和低凹地形。局部地形的上升或下降都會使氣流改變方向，而且相鄰地方的風速方向可能差異很大。隆升地形可對風產生加速效應，當山脊與風向正交時，氣流沿著上升地形不斷匯集，在山脊頂部區域加速最大；然后氣流在越過山脊后，壓力減小，風向發生變化，形成負壓區；最后在山區的背風側形成低速的回流。風與不同形狀的山脊相交產生的風廓線均不相同。抬升坡度使靠近地面部分的風加速變快，而地面上方高處的風速受到的影響較小，最終使底層的風速大于高層的風速，產生負切變現象。當隆升地形的坡度過于陡峭時，就形成了山崖，風的整個流場在山崖正面部分會開始產生分離，氣流減速；然后跨過山崖頂點時氣流加速；最終會形成復雜的流動性風廓線和產生旋渦區[9]。

2.3 大氣熱穩定性造成的影響

一般是在低風速情況下需要考慮大氣熱穩定性對風廓線的影響，當風速小、云量少時，白天的大氣熱穩定性呈不穩定，但晚上的大氣熱穩定性呈穩定；而當風速大、云量多時，白天和晚上的大氣熱穩定性通常呈中性穩定。大氣熱穩定性與熱浮力相關，而低風速時由熱浮力引起的氣流上升速度相對較大。

一天之中，大氣邊界層的熱穩定性會出現從穩定到不穩定的狀態變化，風廓線形狀和大氣邊界層厚度均會產生明顯的變化。在晚上，地表氣溫降低，大氣熱穩定性呈穩定狀態，大氣邊界層厚度減小，風速變大，對應的風切變指數較大；而在白天，尤其是中午，在太陽輻射下，地表氣溫上升，產生上升氣流，大氣熱穩定性呈不穩定狀態，大氣邊界層厚度變大，風速減小，對應的風切變指數較小。當大氣邊界層中出現逆溫層時，溫度切變呈現負值；此時上高度層對應的風切變指數小，而下高度層對應的風切變指數大，中間層就會出現負切變的現象。

3 實際風電場中的典型負切變現象的分析

本文分別以福建省某近海潮間帶海上風電場、屬于復雜地形的湖北省某山地風電場、屬于溫度變化劇烈區域的東南亞某平原風電場作為算例，分析了粗糙度、復雜地形、大氣熱穩定性對風切變的影響，并對實際風電場工程中的典型負切變現象進行了分析。

3.1 算例1——粗糙度對風切變的影響

本段分析以福建省某海上風電場為例。由于該項目屬于近海潮間帶風電場，大氣熱穩定性呈中性穩定，因此本算例主要分析陸地與海平面的粗糙度變化對風切變的影響。

3.1.1 風電場測風塔的數據分析

該海上風電場的測風塔的離岸距離為3.5 km，距離陸地較近。該海上風電場區域的測風塔位置示意圖如圖3所示，圖中，FJ1#測風塔測得的整體α平均值為正值，約為0.0387。

圖3 本算例海上風電場的測風塔分布情況示意圖Fig. 3 Distribution diagram of anemometer tower in this example of offshore wind farm

對FJ1#測風塔測得的不同高度處的風速數據以不同扇區進行統計，平均風速分布結果如圖4所示。

由圖 4 可知，從 0°～180°扇區及 315°～360°扇區方向來風時，FJ1#測風塔測得的風速在不同程度上出現了負切變現象。其中，在90.0°～157.5°扇區之間，在70～85 m高度層出現了明顯的負切變現象；在0°～67.5°扇區之間，在50～70 m高度層出現了輕微的負切變現象，50 m高度處的平均風速與70 m高度處的平均風速幾乎相同。

圖4 FJ1#測風塔測得的不同高度處不同扇區的平均風速分布情況Fig. 4 Distribution of average wind speed in different sectors at different heights measured by FJ1# anemometer tower

FJ1#測風塔測得的風速具有代表性的出現負切變現象的扇區的風廓線圖如圖5所示。

圖5 FJ1#測風塔測得的風速出現負切變現象的扇區的風廓線圖Fig. 5 Wind profile of sector with negative shear phenomenon in wind speed measured by FJ1# anemometer tower

從圖5可以看出，該近海潮間帶海上風電場場區內風廓線明顯受到了陸地粗糙度的影響。陸地部分(樹木、森林)的粗糙度為0.8～1.6，海面的粗糙度為0.0002，來流風先經過陸地再經過海面，存在明顯的粗糙度過渡情況。來流風從陸地的粗糙地面吹向海面的光滑面時，風廓線形狀在近地層部分變大，上高度層風速還沒有適應新的粗糙度情況，則上高度層的風切變指數比下高度層的小，導致了70～85 m與50～70 m高度層間出現了負切變現象。風速越大，其受下墊面粗糙度的影響也就越大，風廓線產生變化的區域越靠近地面，所以在0°～67.5°扇區中出現的負切變現象的中間層高度比在90°～135°扇區中的低。

3.1.2 粗糙度對風電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響

針對粗糙度對風電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響進行分析，得出以下結論：

1)在粗糙度存在明顯過渡的情況下，建議分扇區對風速進行分析，結合主風向及主風頻方向與粗糙度過渡方向的對應關系，考慮是否會出現風從粗糙下墊面吹向光滑下墊面而產生負切變現象，從而進行分扇區風切變條件下的風電機組輪轂高度的論證分析。

2)選取風電機組輪轂高度時，若出現了負切變現象，則選取的風電機組輪轂高度需避開產生負切變現象的中間層。建議在粗糙度存在明顯變化的區域建立測風塔時，適當增加測風高度，以探明產生負切變現象的中間層位置及風切變的變化趨勢。

3.2 算例2——復雜地形對風切變的影響

以湖北省某山地風電場為例，該項目所在地的海拔高度不高，溫度切變屬于正常變化；風電場下墊面以雜草為主，不存在粗糙度突變的情況。但由于該項目地形復雜，測風塔北側和東北側、東南側及西側均有比該項目所在地海拔更高的山脊，項目所在區域分布有山脊、溝谷，導致地形對氣流運動的影響較大，因此，本算例主要是基于復雜地形條件下的測風數據分析復雜地形對風切變的影響。

3.2.1 風電場測風塔測得的風速數據分析

該山地風電場位于山地區域，海拔為200～300 m，區域地表植被主要為雜草，有少量樹木。該山地風電場的測風塔位置示意圖如圖6所示，圖中，HB1#、HB2#為測風塔編號。

圖6 本算例山地風電場的測風塔位置示意圖Fig. 6 Location diagram of anemometer towers in this example of mountain wind farm

分析HB1#測風塔與HB2#測風塔的同期數據，對測風塔測得的不同高度處的風速數據分扇區進行統計，結果如圖7所示。

圖7 HB1#和HB2#測風塔測得的各高度處的分扇區平均風速分布圖Fig. 7 Distribution of average wind speed by sector at each height measured by HB1# and HB2# anemometer towers

從圖7中可以看出，HB1#測風塔及HB2#測風塔所在區域在70 m及以上高度多層臨近高度之間出現了負切變現象；尤其從HB2#測風塔測得的風速曲線來看，在90～100 m高度層近似為等風層，然后在100～120 m高度層再次出現比較明顯的負切變現象。

從圖7還可以看出，HB1#測風塔與HB2#測風塔測得的風速均出現了負切變現象，出現負切變現象的扇區主要集中在0°～135°扇區及225.0°～337.5°扇區，這與周邊山脊區域的分布方向和高度一致。

HB1#測風塔與HB2#測風塔測得的風速出現負切變現象的具有代表性的扇區的風廓線圖如圖8所示。

圖8 HB1#測風塔與HB2#測風塔測得的風速出現負切變現象的扇區的風廓線圖Fig. 8 Wind profile of sector with negative shear phenomenon in wind speed measured by HB1# and HB2# anemometer towers

從圖8可以看出，復雜地形造成的加速效應產生了負切變現象。HB1#測風塔與HB2#測風塔距離周邊高大的山脊較近，產生負切變現象的風速方向主要在0～135°扇區，與山脊正交。氣流沿著山脊不斷上升匯集，在山脊頂部區域加速最大，使貼近山脊的底層的風速比其上方高處的風速大，從而產生了明顯的負切變現象。

3.2.2 隆升地形產生的加速效應仿真

隆升地形條件下風流場的流場特性圖如圖9所示。圖中，X代表水平距離，Z代表離地高度。

圖9 隆升地形條件下風流場的流場特性計算結果Fig. 9 Calculation results of flow field characteristics of wind flow field under hilly terrain

根據圖9可知，當氣流經過隆升地形時，在迎風面的山腳處由于逆壓梯度，流場邊界層厚度迅速增大，氣流出現較小的減速區。在迎風面，在氣流沿地形上升過程中，氣流受到地形的擠壓而產生加速效應，且風速隨山坡高度的升高而增大，在山頂處風速大、湍流強度小，山頂的流場邊界層厚度因風加速作用變小。隨后在背風面處，風速隨著山坡高度的降低而不斷減小，在背風面表面上形成旋渦，并在背風面下游處形成一個低速的回流區，該低速回流區內風速小、湍流強度大。

當氣流通過山地、丘陵或山脊時，由于受到了地形阻礙的影響，在山的迎風面下部，風速減弱、氣流上升；在山的頂部和兩側，氣流線變密，風速增大；在山的背風面，氣流線呈輻散狀，風速減弱，且有下沉氣流，在重力和慣性力的作用下使山脊背風面氣流呈現波狀流動。山地地形對風速的影響水平距離一般是迎風面山高的5～10倍距離，是背風面山高的15倍距離。山脊越高，坡度越緩，背風面受影響的水平距離越遠。

背風面水平距離X與山高h與山的平均坡度β之間存在關系，即：

式中，k為比例常數。

3.2.3 復雜地形對風電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響

針對復雜地形對風電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響進行分析，得出以下結論：

1)周邊山脊對風流場的影響比較顯著，由于遮擋，回流區現象比較明顯，因此在進行風電機組點位布置時應盡量考慮遠離山脊背風側。該山地風電場場區的來風方向主要集中在正北、正南及周邊方向，南向來風未出現負切變現象，北向來風出現的負切變現象明顯，所以在對風電機組進行點位布置時要特別考慮北部山脊對該山地風電場場區的影響。

2)復雜地形條件下，負切變現象的出現與地形分布相關，存在整體呈現為正常切變但局部扇區呈現負切變的情形。在復雜地形條件下，進行精細化風資源論證分析時，建議將風速分扇區進行分析，從而可以全面了解各扇區的風資源情況特征。

3)鑒于該山地風電場區域內的風切變分布規律，場區中風電機組的輪轂高度的選擇可以根據不同區域分別考慮。

4)對于由復雜地形導致的負切變現象嚴重的區域，可在負切變出現的扇區進行加密測風，以探明負切變現象的影響范圍，從而指導并確定風電機組輪轂高度的選取方案。

3.3 算例3——大氣熱穩定性對風切變的影響

以東南亞某平原風電場為例。該地區的光照強烈，太陽輻射強；晝夜溫差大且不同季節溫差大；大氣熱穩定性變化大；海拔高度低，屬于海拔37 m以下的濱海平原。風電場的下墊面地勢平坦，為沙質土壤，種植有松樹，測風塔位于海濱陸上區域的簡單地形區域，不存在從粗糙下墊面向光滑下墊面過渡的情況，以及因復雜地形而產生的負切變現象，此時負切變現象主要是因大氣熱穩定性的影響而產生的。因此，本算例主要分析大氣熱穩定性對風切變的影響。

3.3.1 風電場測風塔數據分析

東南亞某平原風電場處于約13°N的位置，風電場東側距離海邊約6 km。該平原風電場的測風塔位置示意圖如圖10所示，圖中，YN1#為測風塔編號。

YN1#測風塔的測風數據顯示，其α約為0.311，在78 m高度處的風速略低于70 m高度處的風速，出現了負切變的現象。由于該區域溫差變化隨晝夜、季節的變化巨大，因此YN1#測風塔設有4 m與76 m雙層高度溫度測量儀，2個高度處的溫差在0～2.6 ℃之間。YN1#測風塔在4 m與76 m高度處的溫度均呈現以下2個特征；一個是夏季高、冬季低，季節溫差約為6～9 ℃；另一個是午間高、夜間低，早晚溫差約為6～8 ℃。

對YN1#測風塔測得的不同高度處的風速數據按照逐月、逐小時分別進行統計，具體如圖11所示。

圖11 YN1#測風塔測得的各高度處的逐月、逐小時平均風速分布圖Fig. 11 Distribution of monthly and hourly average wind speed at each height measured by YN1# anemometer tower

從圖11可以看出，YN1#測風塔測得的風速出現了負切變現象。其中，一年之中的負切變現象主要出現在冬季，一天之中的負切變現象主要出現在晚上。

大氣的熱穩定性變化導致了負切變現象的產生：白天太陽輻射強，地表溫度高，大氣熱穩定性為不穩定狀態，當進入夜晚時，地面溫度驟降，該風電場場區臨近海洋，上高度層的溫度變化慢，最終導致靠近地面部分的溫度比其上高度層的溫度低，產生了逆溫層。下高度層溫度低，風切變指數大；上高度層溫度低，風切變指數小，因此，中間層部分產生了負切變現象。

3.3.2 平原風電場區域的大氣熱穩定性分析

依據表2中HOUGHTON[12]提出的大氣熱穩定性等級劃分標準，計算該平原風電場區域的逐月、逐小時RiB值，并根據該值對大氣熱穩定性進行分類，繪制大氣熱穩定性狀態分布圖，如圖12所示。

圖12 平原風電場區域的逐月、逐小時大氣熱穩定性分布圖Fig. 12 Distribution of monthly and hourly atmospheric thermal stability state in plain wind farm

針對該平原風電場區域的大氣熱穩定性等級的占比情況，以及不同大氣熱穩定性等級下α的平均值進行統計，如圖13所示。

從圖13a可知，該平原風電場區域受大氣熱穩定性的影響很大，大氣熱穩定性為不穩定狀態(包括極不穩定A與不穩定B)約占40%；大氣熱穩定性為中性狀態（包括較不穩定C與中性D)約占19%；大氣熱穩定性為穩定狀態(包括較穩定E與穩定F)約占41%。該平原風電場區域的整體大氣熱穩定性狀態表現為：午間不穩定，晚間較穩定；夏季不穩定，冬季較穩定。

圖13 平原風電場區域的大氣熱穩定性等級占比及不同大氣熱穩定性等級下α的平均值Fig. 13 Proportion of atmospheric thermal stability grades and α mean under different atmospheric thermal stability grades in plain wind farm

從圖13b可知，該平原風電場區域基本呈現大氣熱穩定性越穩定，α平均值越高的趨勢。當大氣熱穩定性處于不穩定狀態時，受到熱浮力的影響，垂直方向風速流動加大，水平方向風速小，大氣邊界層厚度變大，α平均值減小；當大氣熱穩定性處于穩定狀態時，垂直方向風速流動減小，水平方向風速大，大氣邊界層厚度減小，α平均值增大。

3.3.3 大氣熱穩定性對風電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響

針對大氣熱穩定性對風電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響進行分析，得出以下結論：

1)對于溫差變化明顯或大氣熱穩定性變化明顯的區域，在對其進行風資源分析時，需要分時段、分季節來評估α值的大小，以此來分段進行合理地風速外推。

2)從測風塔的數據來看，YN1#測風塔在70～78 m高度區域出現了負切變的現象，70 m與78 m高度層之間的平均風速相當。綜合考慮后，當選取低輪轂高度時，選取高70 m左右的輪轂高度即可；當選取高輪轂高度時，需要通過分時段、分季節的α值進行合理的高度風速外推后，再考慮高輪轂高度的選取值。另外，建議在大氣熱穩定性變化明顯的區域建立測風塔時應適當增加測風高度，以探明負切變的中間層位置及風切變的變化趨勢，以便確定技術經濟性最為合理的風電機組輪轂高度。

4 結論

本文分析了風電工程中負切變現象的成因，并分析了粗糙度、復雜地形和大氣熱穩定性對風切變產生的影響。在分析負切變現象時，在粗糙度為影響因素的情況下，需要分扇區同時結合主風向對測風塔數據進行綜合分析，并且分析了粗糙度過渡段的風廓線的變化情況；在復雜地形為影響因素的情況下，需要分扇區分析測風塔測得的風速數據，并提出了地形對風速的加速效應，以及隆升地形會在背風側產生回流區，造成風速減小、湍流增大的情況；在大氣熱穩定性為影響因素的情況下，需要分時間、分季節對測風塔測得的風速數據進行分析，并采用總體理查森數判定方法對該區域的大氣熱穩定性進行了分類，然后分析了該區域風切變指數的變化情況。在得出以上結論的基礎上，提出了在粗糙度、復雜地形、大氣熱穩定性這3種影響因素下產生負切變現象時，應如何進行合理的風電機組點位布置及其輪轂高度的選取，實現了更加精細的風資源評估。最后歸納了實際風電工程中常見典型負切變現象，提出了合理的風切變特性分析方法，為今后的風電工程應用提供了典型范例。