重慶市山地地區近地層風切變研究

梅 亮

(華潤新能源投資有限公司四川分公司，四川 成都 610000 )

0 引言

根據《國務院關于印發2030 年前碳達峰行動方案的通知》[1]，到2030 年，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12 億kW 以上。截至2021 年底，我國風電裝機3.28 億kW、光伏發電裝機3.06 億kW[2]，距離12 億kW 的目標還有很長一段距離。2022 年國家發改委和國家能源局聯合印發的《“十四五”現代能源體系規劃》[3]指出，加快負荷中心及周邊地區分散式風電的建設。分散式風電項目受制于國家政策和電網消納等因素，裝機容量一般在6 ～50 MW 之間，裝機容量較小。出于建設成本和時間成本考慮，部分投資企業前期未設立測風裝置，其項目風能資源評估參考周邊地區測風塔的風切變指數，導致投資的項目出現發電量不及預期，偏差較大的情況。

近地層風切變指數表征風速隨離地高度增加的變化程度，其值越大表示風速隨離地高度增加的變化越大。風切變指數的變化與大氣穩定度、地形地貌、地表粗糙度等條件有關。風能資源評估、風電機組選型等風電場選址評估的重要環節中，風電機組輪轂高度的變化對于機組載荷安全性評估和風電場投資效益的變化程度需要使用風切變指數這個重要參數。陳燕[4]等利用江蘇省沿海地區的連續42 個月，時間間隔為10 min 長序列，高時間分辨率的5 座測風塔觀測資料，分析了江蘇不同地區及高度的風切變指數變化規律，結果表明風切變指數隨環境在0.15 ～0.26 之間變化。崔陽[5]等利用湖北省27 座測風塔研究了湖北平原地區和山地地區的風切變特征差異。龔強[6]等利用遼寧省26 座測風塔完整年逐時測風數據，研究了風切變指數的季節變化、日變化以及風速大于10.8 m/s大風情況等條件下的近地層風切變特征，結果表明風切變指數空間分布規律不明顯，受局地地形和地貌環境影響較大。龔璽[7]等分析了內蒙、河北、江西等地區100 m 湍流觀測數據的風切變指數，結果表明在內陸的簡單地形中，分層風切變指數大于0.4 的概率2.95%。國外也開展了風切變指數的研究，Farrugia[8]研究了在地中海氣候條件下風切變指數的變化規律，結果顯示實際測量的風切變指數與傳統的1/7 固定取值差異較大；Dimitrov[9]等利用高度分布在60 m ～200 m 的2 個測風裝置實測測風數據，分析了風切變指數在風電機組荷載計算分析中的驗證結果，并認為不能隨意采用風切變指數推算上層高度的風速。Maeda[10]等利用日本某處測風數據，通過低高度層的風切變指數將20 ～30 m 高度的風速推算至100 m 高度風速，結果顯示推算的風速誤差超過20%。

重慶地區多為山地地形，山地地區風切變指數變化受時間和空間的影響因素較多，利用傳統的固定值風切變指數或周邊測風塔風切變指數來推算其他山地地區風切變指數會引入較大的人為數據誤差。重慶地區地形復雜，海拔落差大，地表附著物較多，部分區域森林茂密，不同地理位置的風切變指數差異較大。具有代表性的實測測風數據不多，國內針對重慶市山地地區近地層風切變指數的研究較少。本文利用重慶市內特定區域的7 座離地高度為80 ～90 m 并有10 ～70 m 各高度層的完整年測風塔數據，對比分析7 座測風塔風切變指數的季度變化、月度變化、日變化、高度變化、空間位置變化、以及不同風速段變化，與《風電場風能資源評估方法》[11]中無實測數據條件下的風切變指數參考值1/7(約0.143)對比分析誤差，為重慶地區山地地區分散式的風電開發利用等提供風切變指數模擬參考。

1 測風塔數據

1.1 測風塔分布

重慶總的地勢是東南部、東北部高，中部和西部低，西北部和中部以丘陵、低山為主，東南部和東北部有武陵山和大巴山兩座大山脈。重慶市風能資源較好的地方主要分布在武陵山和大巴山山系及其周邊，東部及北部海拔較低的地方風能資源較差。本次收集重慶地區7 座實測測風塔測風數據對重慶市西部、中部及東北部丘陵地區風切變進行研究，7 座測風塔覆蓋了重慶市風能資源較好和較差的地方，具有一定的代表性，測風塔位置分布如圖1 所示。

圖1 重慶市7座測風塔位置分布圖

1.2 測風塔測量信息

以重慶市內離地高度80 ～90 m 的7 座測風塔為研究對象，測風塔信息見表1 所列，其中1 座測風塔分布在西部山地地區，5 座測風塔分布在中部山地地區，1 座測風塔分布在東北部山地地區。7 座測風塔測量時間段見表1 所列，每座測風塔測量時間為1 個完整年。為便于研究，本文將50 m 以下高度稱為下層，50 m以上稱為上層，每座測風塔的測量高度見表1所列。

表1 重慶市7座離地高度80～90 m測風塔信息

1.3 測風塔數據處理

依據《風電場風能資源評估方法》[11]對7 座測風塔原始數據及各觀測層數據的完整性、合理性和時空一致性進行檢驗，剔除無效數據。根據《風電場氣象觀測資料審核、插補與訂正技術規范》[12]對缺測數據和無效數據進行插補訂正，對于數據完整率較低的測風塔，在經過風速顯著性及相關性檢驗后，利用同塔插補或周邊相鄰測風塔進行異塔插補訂正，補充為完整年。最終7 座測風塔風速的有效數據完整率均達到90%以上。

2 風切變指數計算方法

風切變指數的計算方法可以采用指數律或對數律，目前大多數研究均推薦采用指數律方法[5], 具體表達式為：

式中：v1和v2分別為高度z1和z2處的平均風速，(m/s)；α為風切變指數。為了綜合反應風切變狀況，將式(1)兩邊取對數[5]，進而得到式(2)：

本文利用式(3)分別計算測風塔M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7 的風切變指數，并進行分析。

3 近地層風切變特征分析

風切變指數受不同地形、垂直高度及氣候條件的影響具有一定的變化特征，對7 座測風塔開展風切變指數的時間和空間變化特征對比分析?？紤]到分散式風電項目多為無實測測風數據的情況，基于重慶市7 座測風塔的實測數據，分析對比實測數據與《風電場風能資源評估方法》[11]中無實測數據情況下的風切變指數參考值的誤差。

3.1 時間變化

3.1.1 季度變化

7 座測風塔季度的風切變指數變化范圍如圖2 所示，M1、M2、M5、M6 測風塔為夏季的風切變指數較大，M3、M4、M7 測風塔為秋季的風切變指數較大。

圖2 重慶市7座測風塔不同季節的風切變指數

3.1.2 月度變化

7 座測風塔月度風切變指數變化范圍為0.01 ～0.39。從圖3 看出，M1 ～M7 風切變月平均最大值分別出現在7 月、6 月、10 月、10 月、7 月、6 月、9 月。M1 ～M7 風切變月平均最小值分別出現在12 月、12 月、6 月、1 月、1 月、9 月、12 月。7 座測風塔月度最大值和最小值不呈現相同月份的規律性特征。

圖3 重慶市7座測風塔不同月份的風切變指數

3.1.3 日變化

7 座測風塔的日變化風切變指數差異較大，為更好的展示各測風塔在不同時刻的日變化，定義風切變i時段標幺值H：

式中：i表示每天相同間隔1 小時的時間段，αi時刻表示每天相同i時間段風切變指數的年平均值，α年表示所有時間段風切變的年平均值。

從圖4 看出，除M1 和M7 外，其余5 座測風塔風切變指數日變化趨勢相對平穩，上午9 點至下午18 點風切變指數相對其他時間段略有降低，呈現白天小、夜間大的晝夜特點。但M1 和M7 測風塔風切變日變化趨勢劇烈，上午9 點至下午18 點風切變指數相對其他時間段相對較大，呈現白天大、夜間小，與其他測風塔相反的晝夜特點。7 座測風塔風切變指數的日變化存在白天和夜間的差異化現象，但并不是完全呈現白天小、夜間大的特點。

圖4 重慶市7座測風塔每小時風切變指數標幺值日變化

3.2 空間變化

3.2.1 海拔變化

各測風塔位置均為山地區域，從圖5 看出，測風塔的年風切變指數差異較大，變化范圍是0.04 ～0.34，風切變指數并未隨海拔高度呈現規律性變化。

圖5 重慶市7座測風塔不同海拔年風切變指數變化

3.2.2 層高變化

為便于研究，本文將50 m 以下高度稱為下層，50 m 以上稱為上層。從圖6 看出，編號為M1、M3、M7 的3 座測風塔上層風切變指數為負值，M2、M4、M5、M6 測風塔的上層風切變指數明顯低于下層風切變指數。整體來看，7 座測風塔50 m 以上的上層風切變指數均小于50 m 以下的下層風切變指數。

圖6 重慶市7座測風塔不同層高年風切變指數變化

3.2.3 風速段變化

從圖7 看出，除M2、M5 外，其余測風塔在1 ～3 m/s 和3 ～5 m/s 的風速段，風切變指數相對全部風速段均較小。在大于5 m/s 的風速段，M2、M5、M6 呈現隨風速增大而風切變指數變小的趨勢，M1、M3、M4 和M7 呈現隨風速增大而風切變指數變大的趨勢。

圖7 重慶市7座測風塔不同風速段風切變指數變化

3.3 參考值誤差幅度分析

《風電場風能資源評估方法》[11]指出，如果沒有不同高度的實測風速數據，風切變指數α取1/7(約0.143)作為近似值。重慶地區多為山地地形，風切變指數變化差異較大，以7 座實測測風塔數據，對比分析與1/7(約0.143)參考值的誤差幅度。

從圖8 看出，各測風塔相對于1/7(約0.143)的參考值，誤差范圍為15%～137%，誤差幅度較大。重慶地區的分散式風電項目在無實測測風數據的情況下，需謹慎使用1/7(約0.143)的參考值。

圖8 重慶市7座測風塔年風切變指數與參考值的誤差幅度

4 結論

本文利用重慶市7 座離地高度80 ～90 m山地地區測風塔數據，研究分析了其時間和空間變化特征。

1) 7 座測風塔風切變指數總體呈現夏秋季風切變指數較大，冬春季較小的特點。

2) 7 座測風塔風切變指數的日變化存在白天(9：00 ～18：00)和夜間的差異化現象。

3)根據本文對7 座測風塔的分析發現，風切變指數大小與海拔高度無線性相關關系。

4) 7 座測風塔50m 以上的上層風切變指數均小于50 m 以下的下層風切變指數。

5) 7 座測風塔實測風切變指數變化范圍為0.04 ～0.34，相比1/7(約0.143)的參考值，實測風切變指數誤差幅度最高到達137%。

重慶市不同山地地區的風切變指數變化范圍較大，季度、月度及日變化未呈現統一的規律性變化趨勢。7 座測風塔50 m 以上的風切變指數小于50 m 以下的風切變指數，部分測風塔甚至出現負切變，同時相比1/7(約0.143)的參考值，實測風切變指數誤差幅度最高到達137%。

通過本文的研究，重慶市山地地區風切變指數差異較大，在重慶市山地地區實施分散式風電的實際工程項目時，不應盲目采用項目周邊地區測風塔的風切變指數或1/7(約0.143)的參考值。為準確評估項目風切變指數，建議分散式風電項目仍需設立測風裝置。本次收集的測風塔數量僅有7 座，無法覆蓋重慶南部、東部、西北部等山地地區，后續將繼續收集測風數據，以完善重慶地區的結論。