昌馬風電場風資源狀況分析

摘 要：依據(jù)氣象站和風電場測風塔10m、30m、50m、70m高度測風數(shù)據(jù)，通過計算年平均風速、風切變指數(shù)、平均風功率密度、風向和風能玫瑰圖及湍流強度，對昌馬風電場90m高度風能資源進行評估，計算結果表明該風電場90m高度年有效風速時數(shù)為8006h，風功率密度等級達到3級，無效風速少，無破壞性風速，風電場風能資源比較豐富，風速年內變化小，全年均可發(fā)電。

關鍵詞：昌馬風電場；風資源；狀況；分析

引言

已有大量文獻[1-6]對國內外擬建風電場的風能資源和儲量評估進行了研究，因風速的變化是隨機的，受地理位置、氣象條件、人類活動等諸多不確定因素的影響，對風能資源評估所采用的方法也不盡相同。風能資源評估的可靠性直接決定了風電場投運后的經(jīng)濟效益和成敗，可靠的風能資源是風電場微觀選址、風機選型的直接依據(jù)。因此，在風電場前期選址、論證開發(fā)過程中，風能資源評估的可靠性顯得尤為重要。文章結合玉門鎮(zhèn)氣象站30年的氣數(shù)據(jù)和昌馬風電場10m、30m、50m、70m高度1年的測風數(shù)據(jù)，利用Wasp軟件對昌馬風電場的平均風速、平均風功率密度、風向、湍流強度等進行計算，為風電場的建設提供理論依據(jù)。

1 昌馬區(qū)域風資源概況

昌馬地區(qū)位于甘肅省酒泉市，南部為祁連山脈，北部為北山山系，中部為平坦的戈壁荒灘，形成兩山夾一谷的地形，處于河西走廊的西段，風能資源豐富。

1.1 多年平均風速

距離昌馬風電場最近的氣象站為玉門鎮(zhèn)氣象站，玉門鎮(zhèn)氣象站為國家基本氣象站，于1952年7月設立，觀測至今，記錄有完整連續(xù)的氣象資料。根據(jù)1980年9月～2010年8月30年的氣象資料進行統(tǒng)計，玉門鎮(zhèn)氣象站近30年平均風速3.29m/s，近20年平均風速3.05m/s，近10年平均風速2.96m/s，與測風塔同期的2008年9月～2009年8月的氣象站風速為3.06m/s。

1.2 月平均風速

玉門鎮(zhèn)氣象站月平均風速見圖2，由圖表中可以看出，該地區(qū)11月～翌年4月風速較大，7～9月風速較小，即冬春季風大，夏季風小。

1.3 風向玫瑰圖

根據(jù)玉門鎮(zhèn)氣象站資料，玉門鎮(zhèn)氣象站風向玫瑰圖見圖3，該地區(qū)盛行風向為東風、西風。在時間分布上，年盛行風向和季節(jié)變化基本一致，冬季盛行西風，夏季盛行東風。

1.4 風電場測風資料

昌馬風電場在設立了一座70高測風塔，為了有效評估本風電場風能資源，對原始測風數(shù)據(jù)進行了驗證，對其完整性和合理性進行了判斷，檢驗出不合理的數(shù)據(jù)和缺測的數(shù)據(jù)。按照GB/T18710-2002《風電場風能資源評價辦法》，采用北京木聯(lián)能軟件公司編制的《風電場測風數(shù)據(jù)驗證和評估軟件》2.0版本對測風塔的實測數(shù)據(jù)分別進行完整性檢驗、范圍檢驗、相關性檢驗和風速變化趨勢檢驗，檢驗后列出所有不合理的數(shù)據(jù)和缺測數(shù)據(jù)及對應的時間，對不合理數(shù)據(jù)再次進行判斷，挑出符合實際情況的有效數(shù)據(jù)，回歸原始數(shù)據(jù)組。

選取測風塔測風數(shù)據(jù)較為完整的2008年9月到2009年8月時段完整1年測風數(shù)據(jù)作為風能資源評估依據(jù)，該時段有效數(shù)據(jù)完整率為98.3%，大于90%，滿足風電場設計要求。

表2 測風塔實測不同高度月平均風速統(tǒng)計表 （單位：m/s）

1.5 測風數(shù)據(jù)訂正

為得到反映該風電場長期平均水平的風速代表性數(shù)據(jù)，借用玉門鎮(zhèn)氣象站長期測風資料對測風塔2008年9月到2009年8月時段測風數(shù)據(jù)進行訂正。

玉門鎮(zhèn)氣象站與現(xiàn)場測風塔同期的測風時段平均風速為3.06m/s，

比近10年平均風速大3.27%，比近20年平均風速大0.33%，比近30年平均風速小4.25%，測風塔測風數(shù)據(jù)介于近20年和近30年之間。利用氣象站資料對測風塔數(shù)據(jù)進行10年平均訂正，測風塔訂正前70m高度平均風速為7.89m/s，訂正后平均風速為7.67m/s。

2 風電場風資源計算

2.1 空氣密度

根據(jù)玉門鎮(zhèn)氣象站近30年平均氣溫、氣壓和水汽壓計算空氣密度，計算公式如下[7、8]：

式中：t為平均氣溫（℃）；p為平均氣壓（hPa）；e為平均水汽壓（hPa）。

計算得出玉門鎮(zhèn)氣象站空氣密度為1.059kg/m3。昌馬風電場場址平均海拔高程與玉門鎮(zhèn)氣象站（1526m）基本相同，且距離較近，故昌馬風電場場址空氣密度采用1.059kg/m3。

2.2 風能計算

2.2.1 平均風速及風功率密度

90m高度風速由70m高度風速數(shù)據(jù)推算（切變指數(shù)為0.12），風向采用70m高 度風向，測風塔90m高度代表年月平均風速統(tǒng)計見表3。

測風塔90m高度年平均風速為7.91m/s，年有效風速（3.0m/s～25.0m/s）時數(shù)為8006h，平均風功率密度為495W/m2。

表3 測風塔90m高度代表年各月平均風速、風功率密度統(tǒng)計表

風速：m/s；風功率密度：w/m2

2.2.2 風頻曲線及威布爾參數(shù)

風頻曲線采用威布爾分布，概率分布函數(shù)用下式表示：

式中：V為風速；A、K為威布爾參數(shù)。

用WASP9.0程序進行威布爾曲線擬合計算，得到測風塔各個高度的A、K、U、P值見表4。

測風塔90m高度平均風速威布爾分布圖見圖4，由圖4可以看出，測風塔90m高度風速概率分布與威布爾分布曲線擬合情況較好。

2.2.3 風速、風向特性

測風塔90m高度年風向和風能玫瑰圖分別見圖5、6，測風塔90m高度全年各扇區(qū)風向和風能分布統(tǒng)計見表5。

從表5可以看出，測風塔90m高度主風向和主風能方向一致，以西（W）風和東（E）風的風向和風能頻率最高。西風向頻率占全年的19.32%，風能頻率占全年的32.62%，東風向頻率占全年的19.73%，風能頻率占全年的27.61%。

測風塔90m高度風速主要集中在3.0m/s～12.0m/s，占全年的77.89%，風能占全年的46.16%；13.0m/s～25.0m/s風速段占全年的13.49%，風能占全年的53.83%；而小于3m/s的風速約占全年的8.62%，風能占全年的0.59%。測風塔90m高度風速、風能頻率分布統(tǒng)計見表6。

2.2.4 風切變指數(shù)

風切變指數(shù)按下式計算：

式中：V2：高度Z2的風速，m/s；V1：高度Z1的風速，m/s

擬合測風塔不同高度及其對應風速相關關系的方程，方程為Y=4.7928X0.1243，相關系數(shù)為0.999，相關性較好，切變指數(shù)為0.1243。

2.2.5 50年一遇最大風速

根據(jù)玉門鎮(zhèn)氣象站近30年實測年最大風速采用極值I型概率分布統(tǒng)計出50年一遇10m高度最大風速為28.08m/s，極大風速為39.3m/s。50年一遇最大風速計算公式為：

式中：V為風速；u=16.85為分布位置參數(shù)；？琢=0.3474為分布尺度參數(shù)。

推算至70m、80m、90m和100m高度50年一遇極大風速分別為51.62m/s、52.60m/s、53.47m/s和54.26m/s。

根據(jù)風壓公式：

式中：g為重力加速度，γ為重度。標準大氣壓（1013.3毫巴），常溫（15℃）時干空氣重度為1.225kg/m3。

風電場空氣密度為1.059kg/m3，考慮到空氣密度的變化，將風場當?shù)?0年一遇極大風速用風壓公式訂正到標準空氣密度條件下。經(jīng)計算標準空氣密度條件下50年一遇極大風速相當于空氣密度為1.059kg/m3時的92.98%，即風場70m、80m、90m和100m高度50年一遇極大風速訂正到標準空氣密度條件下分別應為48.00m/s、48.90 m/s、49.71m/s和50.45m/s，小于52.5m/s。

昌馬風電場測風塔70m高度記錄的實測風速極大值為50.90m/s，出現(xiàn)在2008年12月21日。測風塔在2008年12月21日極大風速大于40m/s記錄32條，在2009年12月24日和25日極大風速大于40m/s記錄14條。分析附近測風塔同期資料，附近塔該時段極大值為30m/s左右。綜合分析認為該地區(qū)不排除個別區(qū)域出現(xiàn)較大陣風的可能。

2.2.6 湍流強度

風速段湍流強度按下式計算：

IT=σ/V

式中：V為14.5m/s

將測風塔70m高度15m/s風速段平均風速和相應風速標準偏差代入上式計算，求出70m高度湍流強度為0.077。低于0.12，湍流強度較小。

3 風能資源評價

從以上分析可知，該風電場以西（W）風、東（E）風的風向和風能頻率最高，盛行風向穩(wěn)定。風速冬春季大，夏季小。

該風電場90m高度年有效風速（3.0m/s～25.0m/s）時數(shù)為8006h，風速頻率主要集中在3.0m/s～12.0m/s，3.0m/s以下和25.0m/s以上的無效風速少，無破壞性風速，風速年內變化小，全年均可發(fā)電。

用WASP9.0軟件推算得到90m高度年平均風速為8.06m/s，平均風功率密度為501W/m2，威布爾參數(shù)A=9.1，k=2.12，根據(jù)《風電場風能資源評估方法》判定該風電場風功率密度等級達到3級，風能資源比較豐富。

由玉門鎮(zhèn)氣象站近30年資料推算70m、80m、90和100m高度50年一遇極大風速分別為48.00m/s、48.90m/s、49.71m/s和50.45m/s，小于52.5m/s。15m/s風速段湍流強度為0.077，小于0.12，湍流強度較小。根據(jù)國際電工協(xié)會IEC61400-1（2005）判定該風電場可選用適合IECⅢ及其以上安全等級的風機。

根據(jù)《風電場風能資源評估方法》判定該風電場風功率密度等級已達到3級，說明該風電場風能資源比較豐富，具有較好的開發(fā)前景。

參考文獻

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