黄小祥
上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335
摘 要：海上风电场风能资源评估通常需要采集风电场位置完整年数据进行分析计算。本文提出基于风资源图谱成果的风速分析法，基于3Tier中尺度数据集的风速分析法和基于WT的风速分析法对海上无测风区域110m高度的风速大小进行评估。三种评估方法计算得到风电场场址中心点轮毂高度出的风速分别为7.82m/s、7.87m/s和7.84m/s。三种评估方法的评估结果基本一致，可为无实测资料地区海上风电场风资源评估分析提供参考。
关键词：风电场风资源；风速评估
0 导语
海上风电场风能资源评估通常需要采集风电场位置完整年数据进行分析计算。目前，海上风电场风能资源观测和获取有两种主要途径[1]：一是海上测风塔，通过在特定高度安装机械式测风仪的方式进行观测；二是海上漂浮式激光雷达测风[2]，通过搭载在浮体上的激光雷达进行不同高度风资源观测。近年来，由于海上风电技术的飞速发展，海上风电开发逐步从近海走向深远海。随着海上风电机组大型化发展趋势，需要观测风资源高度逐步提高。复杂的水深地质条件、观测高度的提升以及有限的海上施工窗口期，使得建海上测风塔设计建设难度增大、施工周期变长、建设成本增加，难以满足海上风电开发建设进度要求。而目前国内外海上漂浮式激光雷达测风技术仍处于技术验证阶段，还没实现完全商业化，技术适用性和可靠性有待进一步验证。
当前国内外众多研究机构推出基于不同物理模型和全球不同观测站实测数据得出了不同尺度下的风资源图谱产品[3]，如中国气象局近海风资源数据集、GlobalWindAltas全球风能资源数据集、3Tier中尺度数据集等，对无实测数据区域尤其是海上风资源评估具有重要的参考意义。法国美迪公司开发的Meteodyn WT是一款可供风电场进行风资源评估的流体力学数值模拟软件，能够实现不同结果点位置不同高度的风资源评估。本文在此背景下，提出基于风资源图谱成果的风速分析法、基于3Tier中尺度数据集的风速分析法和基于WT的风速分析法等三种方法对海上无测风区域进行风速评估，为海上风电场风资源评估分析提供参考。
1 数据资料与评估方法
1.1数据资料
本文分析使用的数据资料包括：某海上测风塔满一年实测数据；测风塔位置以及场址中心点的3Tier中尺度数据集，GlobalWindAltas全球风能资源数据集。
1） 海上风电场及海上测风塔基本信息
规划中的某海上风电场位于黄海海域，离岸距离约60公里，拟安装风机轮毂110m。风电场场址西北侧距离场址中心约30公里处有一座高100m的海上测风塔。海上测风塔与风电场之间为开阔海面，无遮挡。该测风塔实测数据满一年，数据质量良好。实测年平均风速7.66m/s。
2）GlobalWindAltas全球风能资源数据集
GlobalWindAtlas全球风能资源数据集是世界银行资助的项目。项目依据西班牙Vortex提供中尺度气象结果，使用DTU开发的 WAsP软件进行中尺度降尺度计算，最终给出全球不同高度的风资源图谱。图谱精度可达到200m。
3）3Tier中尺度数据集
3TIER数据是维萨拉（Vaisala）公司的产品。共包含三类数据源：ERAI（ECMWF Interim Re-analysis Archive）、MERRA（Modern ERA Retrospective-analysis for Research and Application）和MERRA2（Modern ERA Retrospective-analysis for Research and Application Version 2），以上数据可以近似实现基于逐时平均风速的电场址位置处的风能资源评估。
3TIER数据通过引用上述数据集，借助基于物理学的NWP模式，整合统计方法，模拟大气层和地球表面之间的相互作用，可提供5km分辨率的风速、风向数据。
本文所采用的MERRA2数据集来源于美国宇航局/戈达德太空飞行中心的全球建模和同化办公室，数据使用(GEOS-5)ADAS系统完成，网格模型精度为纬度0.5°，经度每2/3°来划分。MERRA2数据相对于MERRA数据，由于资料同化系统中实现了GPS无线电掩星数据中的高光谱辐射和微波观测的改进，并在GEOS模型和GSI同化系统中进行了改进，可在纬向方向提供约50km的精度数据集。
1.2评估方法
1） 基于风资源图谱成果的风速分析法
下载GlobalWindAltas全球风能资源数据集中风电场场址中心处接近轮毂高度的多年平均风速，通过风切变指数将相应风速推算到轮毂高度处，评估得出风电场中心位置轮毂高度风速。
2） 基于3Tier中尺度数据集的风速分析法
针对场址区内无实测资料的情况，基于中尺度3Tier数据集，获取海上测风塔位置点及工程场址区中心点的同时期同高度数据。图1为海上测风塔与风电场场址位置近30年月平均风速折线图，由图1可知，海上测风塔位置的3Tier数据与场址区中心点的3Tier数据集有很好的一致性。分析两点位置处多年中尺度风能资源差异，并结合海上实测测风塔实测资料，采用采用差值和差值比例对场址区风能资源进行评估，得出风电场中心位置轮毂高度风速。
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图1 海上测风塔与场址区中心位置3Tier多年月平均风速折线图
3） 基于WT的风速分析法
法国美迪公司开发的Meteodyn WT软件基于计算流体力学技术对风电场区进行风流模拟，准确得知风电场空间每一处的风流情况，可以准确可靠地评估出复杂地形对风流造成的各种影响。WT以大气湍流动量守恒方程和质量守恒方程（N-S）方程为动力框架。
分析过程中，以海上测风塔数据作为软件计算输入，以区域周边其他测风塔位置处的实测风速作为模型参数率定标准，进行模型参数率定。使用率定好参数后的模型计算风电场中心位置轮毂高度处的风速。
2 评估结果分析
1）基于风资源图谱成果的风速分析法
图2为GlobalWindAltas全球风能资源数据集中，中国地区100m高度风资源情况。由图2可见，风电场场址区域风能分布较为一致，100m高度风速约为7.75m/s，风功率密度约为450W/m2，风能资源十分丰富，具有开发价值。将100m高度风速推算到110m高度，得出风电场中心位置轮毂高度处的风速约为7.82 m/s。
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图2 中国沿海海域100m高度风速分布图
2） 基于3Tier中尺度数据集的风速分析法
分别采用差值和差值比例的方式，得到场址区110m高度的代表年风速结果（见表1），初步判定场址区100m高度的代表年平均风速约为7.80m/s，利用风切变推算到110m高度，得出风电场中心位置轮毂高度处的风速约约为7.87m/s。
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3） 基于WT的风速分析法
采用计算流体力学模型（WT）软件进行建模，参考场址周边邻近测风塔的年平均风速7.67m/s进行参数率定。根据率定好的模型进行综合计算，利用海上测风塔推算得到场址中心点100m高度的代表年平均风速分别为7.78m/s。推算得出场址中心点110m高度平均风速约为7.84m/s。
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图3 中国沿海海域100m高度风速分布图
3 结论
本文共采用三种方式对场址区的风资源情况进行分析：
（1）利用权威风资源图谱进行场址区的风资源评估。利用GlobalWindAltas数据分析场址区110m高度风速约为7.75m/s。
（2）基于3Tier数据集利用气候统计等方法开展场址区的风资源评估。分析海上测风塔位置和场址中心点的同时期3Tier数据，通过差值及差值比例推算场址区100m高度的代表年平均风速约为7.80m/s。通过计算的风切变，将100m风速数据推算到110m，得出场址110m高度平均风速约为7.87m/s。
（3）基于风资源评估软件推算场址区域风速。通过WT软件的定向与综合计算，利用海上测风塔推算得到得到场址中心点100m高度的代表年平均风速分别为7.78m/s，推算到110m高度平均风速约为7.84m/s。
综合考虑三种方法获取的场址区的风资源结果，三种方式的评估结果基本一致，可为无实测资料地区海上风电场风资源评估分析提供参考。
参考文献：
[1]李正泉,宋丽莉,马浩,冯涛,王阔.海上风能资源观测与评估研究进展[J].地球科学进展,2016,31(08):800-810.
[2]Gottschall J, Gribben B, Stein D, et al. Floating lidar as an advanced offshore wind speed measurement technique: current technology status and gap analysis in regard to full maturity[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews: Energy and Environment, 2017, 6(5).
[3]张德. 风能资源数值模拟及其在中国风能资源评估中的应用研究[D].兰州大学,2009.