烏蘭察布風電基地風能資源特征分析

徐 棟，白雪峰，孫 靜

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安710065；2. 國家電投集團內蒙古能源有限公司，內蒙古 通遼028011)

0 前 言

烏蘭察布風電基地位于內蒙古自治區中部的烏蘭察布市四子王旗境內，裝機規模600萬kW，是國家批復的首個風電平價上網示范基地，也是全球陸上單體規模最大的風電場。在蒙古冷高壓、蒙古氣旋和區域特殊地形的多重影響下，風能資源尤為豐富。

風能資源特征分析是研究區域風能資源的形成規律和風能資源分布特點，為風電基地場址選擇、布局優化和風電機組優化排布等提供關鍵依據。以往對大范圍的風資源分析主要依靠測風塔、氣象站風速資料的收集、計算，借助一定的經驗判斷一個區域風能資源的分布特點，應用中尺度數值模擬平臺分析了風能資源特征，并對多種中尺度模擬數據的適用性進行了分析較少。本文應用高精度的氣候模型和地形數據以及中尺度數值模擬平臺，分析烏蘭察布風電基地的區域風能資源特點，為大型風電基地風能資源分析提供借鑒。

1 分析方法

1.1 全球高精度氣候模型

本文采用GEOS-5高精度氣候模型，分析大氣環流和天氣系統尺度下風能資源的形成。GEOS-5(Goddard Earth Observing System, Version 5)是GEOS(Earth Observation System)模型的第五版，采用28km每像素的分辨率，可以高達3.5km每像素的分辨率進行全球氣候模型分析，是目前世界上精度最高的氣候模型。該模型利用數學方程來描述大氣物理過程，運行于NASA戈達德太空飛行中心氣候模擬中心的“探索”超級計算機上。

1.2 高精度雷達影像地形數據

本文采用SRTM數字地形圖分析高大地形影響下風能資源的變化特點。SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)是由美國航空航天局實施的航天雷達地形測量任務，對地球表面進行雷達三維成像所獲取的數字高程模型數據。本文采用SRTM-3數據，即將1°的面積分成1200×1200個小區域，每一網格大小為3弧秒(90 m×90 m)。STRM是目前現勢性最好、分辨率最高、經度最好的全球性數字地形數據。

1.3 中尺度數據模擬平臺

中尺度數據模擬平臺是以中尺度再分析數據和大量測風塔實測數據為輸入，采用中尺度數值天氣預報WRF模式和資料同化技術進行模擬，借助強大的混合云計算資源形成精度較高的風資源數據。本文主要應用"格林威治"云平臺和大賢風格能源氣象平臺進行分析。

2 風能資源形成

圖1為GEOS-5氣候模型模擬的烏蘭察布風電基地區域大氣環流場。由圖1可見，因烏蘭察布風電基地所在的四子王旗地處中緯度西風帶，在西風環流控制下，全年盛行偏西風。因區域屬溫帶大陸性氣候區，冬半年地面在蒙古冷高壓控制下，氣壓梯度增大，經常形成強勁的西北風。四子王旗地處蒙古高原南緣，是冬季冷空氣南下進入我國的重要通道，風能資源豐富。

影響四子王旗境內氣流運動的另一重要因素是即為蒙古氣旋。蒙古氣旋發生或發展在蒙古中部和東部高原，春秋季因冷暖空氣活動頻繁，發生頻率較高，特點主要以大風天氣現象為主。GEOS-5氣候模型模擬的蒙古氣旋仿真流場如圖2、3所示，當蒙古氣旋發生在蒙古高原中部時，四子王旗位于蒙古氣旋影響的東南緣，風向以西南風為主；當蒙古氣旋發生在蒙古高原東部時，四子王旗位于蒙古氣旋影響的西南緣，風向以西風和西北風為主。

四子王旗及周邊區域SRTM數字地形見圖4。由圖4可見，四子王旗中部和北部區域地形整體較為開闊，由北部和中部區域進入的西風氣流穿越而過。由四子王旗南部進入的偏西風氣流受到陰山北麓山脈的阻擋，逐步轉變為西南風，由風電基地西南部進入，與北部和中部入流在風電基地西南部匯合，并在向東行進的過程中轉變為偏西風氣流。風電基地中部以丘陵地形為主，受地形效應影響風速得到加強，形成風能資源富集區域。

3 風能資源分布特點

烏蘭察布風電基地位于四子王旗境內，宏觀選址階段首要考慮區域的風能資源分布情況。本文采用中尺度數值模擬技術得到的“格林威治”云平臺和大賢風格能源氣象平臺進行分析。

“格林威治”云平臺模擬的四子王旗風速分布見圖5所示。風能資源富集區主要分布在東部的白音朝克圖鎮、查干補力格蘇木和腦木更蘇木，西部的江岸蘇木、巴音敖包和紅格爾蘇木，90 m高度年平均風速在6.70～9.80 m/s，風功率密度在290～780 W/m2。對比大賢風格能源氣象平臺模擬的四子王旗風能資源分布情況，兩者分布結果基本一致，但量級略有差異，90 m高度年平均風速較“格林威治”云平臺模擬數據偏小約0.5～0.8 m/s。

由于兩種平臺模擬結果差異較大，本文采用具有同期觀測資料的測風塔實測數據進行驗證(見圖6)。經對觀測風速數據對比分析，“格林威治”云平臺模擬數據與測風塔實測數據更為接近，統計分析的7座測風塔位置處模擬數據與實測數據絕對誤差在0.74%～3.88%，大賢風格模擬絕度誤差在5.7%～19.9%。烏蘭察布風電基地內格林威治云平臺模擬數據與實際風況更為接近，這與數值模擬過程中采用的資料同化方法和引入的實測數據量有關。經以上分析可見，烏蘭察布風電基地所處的白音朝克圖鎮和查干補力格蘇木北部區域屬四子王旗風能資源最為豐富的區域。

烏蘭察布風電基地場址區域地形特點為丘陵和平坦地形交錯分布，東南部、北部和西北部區域以丘陵地形為主，東北部和西南部區域地形較為平坦。西風氣流進入風電基地后，在丘陵地形的加速作用下，風速加強。風電基地風能資源水平整體豐富，其中以東南部、北部和西北部的丘陵區域最為集中。

風電基地90 m高度風速在7.0～10.5 m/s之間，風功率密度在400～1050 W/m2之間，根據根據GB/T 18710-2002《風電場風能資源評估方法》判定該風電場風功率密度等級為3～6 級。綜合風能資源形成分析及中尺度數值模擬結果，基地風向分布基本以陰山北麓山脈延長線為界，西部區域主風向以偏西北風和偏西南風為主，東部區域以西風和西北風為主。這與四子王旗氣象站觀測資料和區域測風塔觀測情況一致。

4 結 論

(1) 影響烏蘭察布風電基地風能資源形成的主要因素有西風環流背景、溫帶大陸性氣候類型特點、蒙古氣旋以及陰山山脈特殊地形。在西風環流的大背景下，盛行偏西風；基地西部區域除盛行偏西風外，因西入氣流南支受陰山北麓山脈阻擋，會并存有顯著的西南風；基地北部和東部則以偏西風和西北風為主。此外，因基地處于蒙古氣旋的南部影響邊緣，受此影響，出現大風天氣的頻率較高，并且隨著蒙古氣旋的位置變化，基地會出現西偏北或西偏南的風向。

(2) 烏蘭察布風電基地所選場址屬四子王旗風能資源最為豐富的區域。基地90 m高度風速在7.0～10.5 m/s，風功率密度在400～1 050 W/m2，風功率密度等級為3～6 級。基地風向分布基本以陰山北麓山脈延長線為界，西部區域主風向以偏西北風和偏西南風為主，東部區域以西風和西北風為主。