周 辉
上海勘测设计研究院有限公司 上海 200335
摘 要：利用北黄海近海海域M测风塔两套设备（设备A、设备B）完整一年的实测资料，根据规范要求对实测数据进行整编及塔影修正，并订正为能够反映该地区长期风速水平的代表年数据。M塔代表年100m高度的年平均风速为6.40m/s，对应的年平均风功率密度为312.8W/m2，风功率密度等级为2级，春季、冬季风速相对较大，夏季、秋季风速相对较小。年内可利用小时数（3-25m/s）为7416h，占全年比例84.7%，风速频率主要集中在3~11m/s，占全年的83.0%，风能频率主要集中在7~15 m/s，占全年的76.3%。主风向和主风能方向一致均为北（N）方向，北（N）方向的风向频率及分能频率分别占全年的13.5%和26.3%。该地区风速水平适宜开发建设风电场，可利用风能资源丰富，风向稳定，主风能方向集中，有利于风机布置。
关键词：海上风电 测风塔 风能资源
0 引 言
能源供给是21世纪人类面临的最大挑战之一。传统能源日渐枯竭，其导致的环境危害也间接影响到人类的生存发展空间。自水电开始，人们对可再生能源寄予厚望，风能、太阳能、地热能等新能源逐渐兴起。风力发电是可再生能源的重要力量，有研究表明，我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中海上风能资源约为陆地的三倍。
海上风电已成为全球风电发展的最前沿，世界各国都把发展海上风电作为可再生能源开发利用的重要方向。海上风能资源丰富，风速稳定，电量产出高，不受土地资源的限制，对周边环境影响也较小，可提供持久的清洁可再生能源。风能资源分析是风电场建设的基础与前提，是判断地区能否开发建设风电场的主要判断依据，本文根据北黄海近海海域某测风塔M完整一年的实测资料，根据规范对实测数据进行整编及塔影修正，并订正为能够反映该地区长期风速水平的代表性数据，对北黄海近海海域主要风况特征进行了分析，为该地区后续海上风电场建设提供基础和依据。
1 数据处理
1.1 实测数据整编
M测风塔距离海岸约12km，塔高100m，在90°E、270°W方向上各安装一套测风设备，分别为设备A及设备B。按照《风电场风能资源评估方法》（GB/T 18710-2002）和《风电场气象观测资料审核、插补与订正技术规范》（GBT 37523-2019）的规范要对M测风塔两套设备完整一年的实测资料分别进行数据检验及插补。两套设备有效数据完整率达90%以上，满足海上风能资源评估要求，根据实测数据整编结果，设备A的100m高度年平均风速为6.17m/s，设备B的100m高度年平均风速为6.16m/s，两者相差不大，数值合理。设备A及设备B年内逐月平均风速汇总见表1。
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1.2 塔影效应分析
塔影效应是指由于塔架的阻塞作用引起的塔架后面的风速降低的现象。M测风塔的两套设备传感器均安装在塔架横向支臂上，不可避免会受到“塔影效应”的影响，处于塔影区的风速传感器值会明显偏低，即设备A受到270°W向来风时以及设备B受到90°E向来风时，风速记录值会小于实际来风风速。
为了还原真实风况，需要对M测风塔两套设备数据进行塔影分析。选择数据质量相对较好的设备B记录的风向数据作为风向参考，对两套设备100m高度的风速数据进行全风向区间的比值分析，各风向角度设备A及设备B的中位比值分布图见图1。由图可知，当风向为90°E方向和270°W方向时，两套设备的风速比值最大，说明在这两个方向上塔影影响最严重，这也与两套设备的安装方向一致，其它角度两套设备的风速比值都在合理范围内上下波动。
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图1 M塔设备A及设备B全风向区间风速中位比值分布图（°）
通过塔影分析，判断M塔需要对观测数据进行塔影修正。根据海上风电场的工程经验，在受塔影影响最严重的90°E、270°W方向，选择安装在对应方向的设备风速数据，其他风向则采用两套设备的算术平均值，以此来消除塔影影响。塔影修正后的M塔年平均风速为6.20m/s，M塔塔影修正前后16个风向扇区的风速变化见表2。
表2 M塔塔影修正前后各扇区风速对比表（m/s）
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1.3 代表年订正
测风塔实测资料经过塔影修正后可反映测风年实际风速情况，然而风电场运行是一个长期的过程，海上风电场运行生命周期一般为25年，因此需要将测风年风速订正成为能够反映地区长期风速水平的代表年数据。通过收集测风塔附近的气象站风速资料，分析得到与测风塔同期的气象站年平均风速为3.45m/s，而气象站长期多年的年平均风速为3.55m/s，判断测风年为小风年，需要对测风塔实测资料进行长代年订正。
根据《风电场风能资源评估方法》（GB/T18710-2002）附录A中关于数据订正的方法，建立气象站数据与M测风塔100m高度分16个风向扇区的风速相关关系，见表3。由统计结果可知，各风向扇区气象站与测风塔的风速线性相关关系较为显著，相关系数R均达到0.8以上，满足规范中数据订正的要求。因此采用气象站测风年时段的平均风速与长年代平均风速的差值，对测风塔100m高度的各扇区风速进行代表年订正。M塔100m高度年平均风速经代表年订正后为6.40m/s。
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2 代表年风资源分析
2.1 平均风速与风功率密度
M测风塔代表年100m高度平均风速和风功率密度年变化见表4及图3。M测风塔代表年100m高度年平均风速为6.40m/s，对应的年平均风功率密度为312.8W/m2。根据《风电场工程风能资源测量与评估技术规范》（NB/T 31147-2018），测风塔所处海域风功率密度等级为2级。海域年最大风速和最大风功率密度出现在10、11月时，最小风速和最小风功率密度出现在9月。M塔代表年100m高度有效风速小时数（3.0-25.0m/s）为7416h，占全年小时数的84.7%，可利用小时数较多。
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图3 M塔代表年100m高度风速计风功率密度年变化图
M测风塔代表年100m高度的风速和风功率密度日变化见图4。M塔代表年日最大风速和最大风功率密度出现在16:00至19:00时，最小风速和最小风功率密度出现在10：00至12:00时。
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图4 M塔代表年100m高度风速和风功率密度日变化图
2.2 风速与风功率密度频率分布
M测风塔代表年100m高度各级风速出现频率和风能出现频率见表5，全年的风速和风能频率分布直方图见图5。M测风塔代表年100m高度风速频率主要集中在3~11m/s，占全年的83.0%；风能频率主要集中在7~15 m/s，占全年的76.3%。
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图5 M塔代表年100m高度各高度全年风速、风能频率分布图
利用专业软件WAsP10.0，对M测风塔代表年100m高度风速频率进行威布尔曲线拟合，风频曲线拟合见图6，得到M塔100m高度的威布尔参数为A=7.2m/s，k=1.94。
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图6 M塔代表年100m高度风频曲线拟合图
2.3 风向与风功率密度方向频率分布
M测风塔代表年100m高度风向及风能频率见表6，全年风向玫瑰图和风能玫瑰图见图7。由图表可见，M塔测风塔代表年100m高度主风向和主风能一致，均为北（N）方向，N方向的风向频率及分能频率分别占全年的13.5%和26.3%，测风塔所在海域主风能比较集中，有利于风电场风机布置。
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图7 M塔代表年100m高度全年风向玫瑰图及风能玫瑰图
3 结论
综上所述，北黄海近海海域风况特征及风电场建设适宜性分析如下：
（1）100m高度年平均风速为6.40m/s，对应的年平均风功率密度为312.8W/m2，风功率密度等级为2级，春季、冬季风速相对较大，夏季、秋季风速相对较小。年内可利用小时数（3-25m/s）为7416h，占全年比例84.7%，风速条件适宜风电场开发建设。
（2）风速频率主要集中在3~11m/s，占全年的83.0%，风能频率主要集中在7~15 m/s，占全年的76.3%，在主流风机的额定风速时段内具有较高的风能分布，风电场可利用风能资源丰富。
（3）风向稳定，主风能方向集中，主风向和主风能一致，均为北（N）方向，北（N）方向的风向频率及分能频率分别占全年的13.5%和26.3%，有利于风电场风机布置及风机对风能的捕获利用。
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