四川电力设计咨询有限责任公司 610041
摘要：低风速复杂风电场的收益率通常较低，很多低风速区域实际处于可开发和不可开发之间，因而对低风速区项目开发的前期选址工作、立塔工作、测风数据处理、测风数据代表年订正、机型比选、机位优化、发电量评估以及风电场效益后评估等工作技术提出了更高的精度要求。而目前的常规风电场开发流程依然基于传统的模式，缺乏在开发初期就可以较准确判断低风速风电场开发效率的技术手段。本文提出基于测风塔群的复杂山地低风速风电场风资源精细化评估方法，旨在优化低风速风电场风资源评估结论，希望通过针对低风速条件下的风资源评估和微观选址技术专门研究，找出低风速条件下从前期宏观选址，到后期风电场后评估的一整套行之有效的，且符合国际和中国标准的技术方法，从而高效地解决目前低风速风电场开发的工程需求，提高低风速区风资源的评估精度和评估工作效率。
关键词：测风塔群 山区 风电场 低风速
引言：从风电发展看，2014 年以前，我国陆上风电规模化装机区域主要为三北地区，年平均风速通常大于 7m/s，机组多为 1.5MW，叶轮直径约 77m； 2014 年~2015 年，装机主要为较低风速风场，年平均风速为 6.5m/s 左右， 2MW 成为市场主流，叶轮直径达到 121m；2016 年~2017 年，风电开发向中东部地区转移，开发区域的年平均风速不少已低至 5m/s。随着我国能源结构及供给侧改革进程加快，传统风资源优势区域遇到电力消纳能力不足等问题，陆上风电规模化装机区域转移至中东部和南部，风场以低风速为主。《风电发展“十三五”规划》提出推动低风速风电技术进步，因地制宜推进常规风电、低风速风电开发建设，预计“十三五”期间，我国低速风电装机市场空间高达 7000 万千瓦。
目前看，行业普遍认为低风速风电是指风电机组轮毂中心高度上年平均风速在 5.3m/s-6.5m/s 之间，年利用小时数在2000h以下的风电，其一年内风速介于 3-7m/s 的频率较高。能源局发布的《低风速风力发电机组选型导则》中指出低风速风力发电机组适用于标准空气密度轮毂高度处代表年平均风速不高于 6.5m/s、风功率不高于 320W/m2风能资源条件下的风力发电机组。低风速开发已成为当前开发的主流。
一、工程项目概况
风电场场址位于四川省广元市，风电场分布在几条相连的山脊及高山台地上，可利用场地海拔在600m~1000m之间，山脊长约30km，山脊的脊线较为连续，起伏不大，顶部较宽，局部较为陡峭，整体山势平缓，场地特征好，场址区域南北长约23km，东西宽约18km。场址主风向上60km内没有更高的山脊阻挡，有较好的成风条件。根据现场踏勘情况，实地感受风资源较好，该处山脊草木朝东北方向倾斜，植被变形明显，由此可初步判断，风资源有可开发价值。从地理位置和地形分析，主要利用当地未利用或未开发山脊和台地。片区内不良物理地质现象均不发育，自然山坡稳定性较好。总体来看，各片区地形条件满足风机布置及安装条件。
二、测风塔群概况
风电场区域内外现有测风塔15座，塔号分别为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#以及15#。1#、2#、3#、4#测风塔于2014年开始测风，测风数据已满1年；5#测风塔于2015年开始测风，测风数据已满1年；6#、7#、8#测风塔于2015年开始测风，测风数据已满1年；9#、10#、11#、12#、13#测风塔于2016年开始测风，测风数据已满1年；14#测风塔和15#测风塔测风数据均已满一年多。
三、测风塔数据订正
由于受到全球气候年际变化以及年代际变化的影响，风速在年际尺度上会出现大小风年的情况。测风数据订正的目的是根据风场附近长期测站的观测数据或者气象再分析数据，将验证后的风场测风数据订正为一套反映风电场长期水平的代表性数据。
Merra资料美国国家航空航天局针对全球推出的一套较精确的再分析资料，其网格南北分辨率为0.5度，东西分辨率为2/3度，从1979年开始有数据传输，比起传统的NCAR数据其精确率更高。通过校验覆盖度，选取Merra全球数据中距离该风场塔最近的数据点位。
分析了不同测风塔选取时段Merra2系列数据近20个完整年风速年际变化，并与其20年、15年、10年、5年平均风速做了对比，完整年份为6月~次年5月的20年、15年、10年、5年平均风速分别为4.040m/s、4.044m/s、4.044m/s、4.018m/s，其中测风塔同期的Merra2年平均风速为4.118m/s；完整年份为6月~次年5月的20年、15年、10年、5年平均风速分别为4.052m/s、4.043m/s、4.042m/s、4.042m/s，其中测风塔同期的Merra2年平均风速为4.132m/s；发现在测风塔同期，Merra2系列数据点的年平均风速均略大于近20年、15年、10年、5年的年平均风速，测风塔同期风速为略大风年，接近平风年。
在复杂山地，上述测风塔与MERRA2的相关性较好，最高的相关性系数R2为0.57，但在使用MERRA数据进行测风塔的代表年订正仍会存在一定的不确定性。
四、复杂山地低风速区风能要素评价
4.1风速年变化
各测风塔80m高度风速和风功率密度年内变化曲线，测风时段内风速变化相对较小。各测风塔测风时段分月主风向基本以NE、N为主；主风能也基本NE、N为主。
4.2风速的日变化
各测风塔的日变化趋势基本一致，能反映出该风电场的风速日变化的整体气候趋势。17点钟风速开始加大，在次日3点钟风速、风功率密度最大，然后减小又加大，至次日8点达到最大，最后逐渐减小，到16点达到最小。就总体情况看，风速、风功率密度在20～次日8点较大，9～19点较小。
4.3风频曲线和威布尔参数
风频曲线采用威布尔分布，概率分布函数用下式表示：
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式中：V为风速；A、K为威布尔参数。
各测风塔80m高度风速分布基本符合威布尔分布。
4.4风电场50年一遇最大风速和极大风速
根据目前各厂家的风机制造产品，同容量的机组有适合不同气候安全等级的风机型号，不同的风电场安全等级对应的机组的安全等级也是不一样的，因此科学、准确的确定拟建风电场的安全等级是进行机组选择的先决条件。
采用独立风暴法和EWTS II(Gumbel)法计算各测风塔80m和90m高度的50年一遇最大风速，采用1.4倍的最大风速计算极大风速。
从统计得，各测风塔50年一遇最大风速基本都小于37.5m/s，独立风暴法的最大风速计算结果略大于37.5m/s，经检验，立风暴法的拟合精度较低，所以导致计算结果误差较大。各测风塔50年一遇极大风速基本都小于52.5m/s，同样由于最大风速计算结果误差较大，导致极大风速的计算结果略大于52.5 m/s。
同时统计了各测风塔测风时间段10min平均最大风速的分布情况，和10min极大风速分布情况。各测风塔测风时段10min平均最大风速的分布范围在18.7 m/s~26.281m/s之间，各测风塔测风时段10min极大风速分布范围在22m/s~36.900m/s之间。
五、总结
本文提出论基于测风塔群的复杂山地低风速风电场风资源精细化评估方法，经过各个风资源要素评价的对比分析，该方法对于优化低风速风电场风资源评估结论，高效地解决目前低风速风电场开发的工程需求，提高低风速区风资源的评估精度和评估工作效率具有显著的效果。
参考文献：
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