基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線建模方法研究

劉永前， 馬曉梅,2， 高小力， 閻 潔， 韓 爽

(1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102206； 2.青海師范大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院 青海 西寧 810016)

0 引 言

海上風(fēng)資源儲(chǔ)量豐富穩(wěn)定且靠近負(fù)荷中心[1]，能夠有效緩解目前資源和環(huán)境危機(jī)，相比于陸上風(fēng)電，還能減少視覺和噪聲影響[2]；除此之外，由于海上風(fēng)切變較低，風(fēng)電機(jī)組輪轂高度即使低于陸上也可以帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，海上風(fēng)電成為近年來的發(fā)展熱點(diǎn)。海上風(fēng)資源評(píng)估是海上風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)建設(shè)的基礎(chǔ)[3]，但是由于海上風(fēng)資源氣象屬性復(fù)雜，海上測(cè)風(fēng)資料相對(duì)缺乏，加之評(píng)估技術(shù)還處于初級(jí)研發(fā)階段[4]，可行性論證難度較大。因此，提高海上風(fēng)資源評(píng)估的準(zhǔn)確性是降低海上風(fēng)電項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。

海上風(fēng)資源評(píng)估最重要的基本要素是測(cè)風(fēng)資料，由于海上長(zhǎng)期、準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏，海上風(fēng)資源評(píng)估一般采用有限的陸上測(cè)站數(shù)據(jù)、浮標(biāo)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)或再分析數(shù)據(jù)。其中，再分析數(shù)據(jù)由于渠道多、獲取方便而被廣泛使用。Sheridan L M等利用再分析數(shù)據(jù)表征海上風(fēng)資源的不確定性，指出再分析數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)存在一定偏差[5]。Chancham等人利用再分析數(shù)據(jù)評(píng)估了泰國(guó)灣的海上風(fēng)資源并提出了海上風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[6]。Zheng Chongwei 等人利用歐洲天氣預(yù)報(bào)中心再分析數(shù)據(jù)重新評(píng)估了全球海上風(fēng)能資源[7]。但是再分析數(shù)據(jù)往往不能滿足海上風(fēng)電機(jī)組輪轂高度要求，需采用外推的方式評(píng)估輪轂高度風(fēng)資源，而目前普遍采用的外推方式忽略了大氣穩(wěn)定度、海面動(dòng)力學(xué)粗糙度等影響，加之再分析數(shù)據(jù)本身與觀測(cè)數(shù)據(jù)就有誤差，將可能導(dǎo)致不合理的風(fēng)資源評(píng)估結(jié)果。

海上大氣邊界層下墊面是變化復(fù)雜的海面，研究海洋表面狀況參數(shù)化模型有助于深入認(rèn)識(shí)海上大氣邊界層物理過程，從而提高海上風(fēng)資源評(píng)估精度。Charnock[8]和Smith[9]最早提出了海洋表面粗糙度參數(shù)化模型，建立了摩擦速度和粗糙度之間的線性模型。文獻(xiàn)[10]研究了不同海面動(dòng)力學(xué)粗糙度參數(shù)化模型對(duì)風(fēng)、溫等氣象要素垂直廓線數(shù)值模擬的影響。大氣穩(wěn)定度也是影響海上風(fēng)資源分布的重要因素。文獻(xiàn)[11]研究了大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)資源時(shí)空分布的影響，文獻(xiàn)[12]分析比較了不同大氣穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沿海地帶風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算的適用性，得到風(fēng)切變指數(shù)與大氣穩(wěn)定性存在高度相關(guān)性的結(jié)論。文獻(xiàn)[13]通過風(fēng)電場(chǎng)精細(xì)化建模得到大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率輸出有較大影響。文獻(xiàn)[14]利用測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)資料分析了渤海灣北岸湍流強(qiáng)度特征，提出了調(diào)整風(fēng)電機(jī)組抗湍流參數(shù)的建議。但是，上述文獻(xiàn)在研究海上風(fēng)資源特性時(shí)，都采用單一參數(shù)描述，且部分研究直接用海面動(dòng)力學(xué)粗糙度參數(shù)化模型擬合海上風(fēng)廓線，忽略了模型中大氣始終處于中性層結(jié)的假設(shè)。

實(shí)際上，海洋表面狀態(tài)時(shí)刻都在變化，且大氣出現(xiàn)中性層結(jié)的時(shí)段很少，這種近似方式將帶來風(fēng)資源評(píng)估誤差，導(dǎo)致整場(chǎng)發(fā)電量設(shè)計(jì)值與實(shí)際運(yùn)行值的偏差[15]。本文采用海上測(cè)風(fēng)塔實(shí)際測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，引入中性等效風(fēng)速，將處于穩(wěn)定及不穩(wěn)定狀態(tài)的風(fēng)速轉(zhuǎn)化等效于中性狀態(tài)的風(fēng)速，再結(jié)合莫寧奧布霍夫相似理論和海洋表面動(dòng)力學(xué)粗糙度參數(shù)化模型來描述海上風(fēng)資源的垂直分布，為提升海上風(fēng)資源評(píng)估精度、降低海上風(fēng)電項(xiàng)目的投資風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)。

1 海上風(fēng)資源評(píng)估參數(shù)及模型研究

1.1 大氣穩(wěn)定度參數(shù)模型

莫寧奧布霍夫長(zhǎng)度(以下稱莫奧長(zhǎng)度)L和梯度理查森數(shù)Ri都是表征大氣穩(wěn)定度狀態(tài)的穩(wěn)定度參數(shù)，用實(shí)際觀測(cè)得到的離散資料計(jì)算梯度理查森數(shù)時(shí)，用如下計(jì)算方法[16]：

(1)

莫奧長(zhǎng)度和梯度理查森數(shù)的關(guān)系如下：

(2)

1.2 摩擦速度參數(shù)化模型

研究海洋與大氣的相互作用時(shí)，基于雷諾應(yīng)力關(guān)系，利用 10 m 高度處平均風(fēng)速U10及其對(duì)應(yīng)的拖曳系數(shù)Cd可得到摩擦速度計(jì)算式[17，18]：

(3)

拖曳系數(shù)決定了大氣與海洋之間的動(dòng)量傳輸率，隨風(fēng)速的變化而變化，并與海面粗糙度和大氣穩(wěn)定度有關(guān)[19]。本文考慮的拖曳系數(shù)參數(shù)化模型為L(zhǎng)argeand Pond模型：

(4)

1.3 海洋表面動(dòng)力學(xué)粗糙度參數(shù)化模型

Charnock[8]最早提出了海面粗糙度與摩擦風(fēng)速的關(guān)系：

(5)

式中：α=0.018 5，Charnock方案被廣泛地應(yīng)用，之后的參數(shù)化方案研究基本都是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的，Smith[9]在Charnock模型基礎(chǔ)上加入了海面光滑流的影響：

(6)

Charnock參數(shù)化模型能較好的模擬海上邊界層物理過程，因此本文采用Charnock模型。

1.4 不同穩(wěn)定度下的風(fēng)廓線模型

由莫寧-奧布霍夫相似理論得到近地面層風(fēng)速的通量—廓線關(guān)系的積分形式為

(7)

式中：ψm是風(fēng)廓線穩(wěn)定度修正函數(shù)；z0為海洋表面動(dòng)力學(xué)粗糙度；u*為摩擦速度；k為馮卡門系數(shù)，取0.4：

(8)

2 基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型

現(xiàn)有海面動(dòng)力學(xué)粗糙度參數(shù)化模型及風(fēng)資源評(píng)估軟件等考慮到建模難度、計(jì)算速度等限制，均假設(shè)大氣始終為中性狀態(tài)，在一定程度上限制了評(píng)估精度的進(jìn)一步提升。目前風(fēng)電機(jī)組輪轂高度已經(jīng)超過了160 m，當(dāng)輪轂高度超出測(cè)風(fēng)高度時(shí)，需要將測(cè)風(fēng)高度的風(fēng)速外推到輪轂高度。為了滿足某些模型及評(píng)估軟件對(duì)大氣狀態(tài)的假設(shè)，本文提出基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型。

2.1 基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型

假設(shè)uzn為滿足中性條件的高度z處的風(fēng)速，則有

(9)

聯(lián)立式(7)和(9)，得

(10)

式中：u(z)為測(cè)風(fēng)高度z處任意時(shí)刻的實(shí)測(cè)風(fēng)速；ψm為該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定度函數(shù)。

考慮到計(jì)算方便及數(shù)據(jù)可利用性，本文先用兩個(gè)高度層逐時(shí)刻的風(fēng)速、溫度數(shù)據(jù)計(jì)算梯度理查森數(shù)及莫奧長(zhǎng)度，判斷大氣穩(wěn)定度分類并將逐時(shí)刻ψm代入式(10)，將逐時(shí)刻風(fēng)速轉(zhuǎn)化為中性狀態(tài)下的等效風(fēng)速，該等效風(fēng)速對(duì)逐時(shí)刻的大氣狀態(tài)進(jìn)行了中性等效轉(zhuǎn)化，可以滿足某些模型及評(píng)估軟件對(duì)大氣狀態(tài)的假設(shè)。

假設(shè)u1n為高度z1對(duì)應(yīng)的中性狀態(tài)等效風(fēng)速，z2,u2分別為需要外推的輪轂高度及風(fēng)速，由于低層風(fēng)速已經(jīng)做了等效轉(zhuǎn)化，因此本文外推時(shí)用中性狀態(tài)下的對(duì)數(shù)率，即

(11)

代入式(10)，得

(12)

式中：z0采用Charnock模型，即

(13)

式(13)為基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型。由于高度z1處的風(fēng)速采用的是中性等效風(fēng)速，大氣狀態(tài)及海面動(dòng)力學(xué)粗糙度等已經(jīng)作為低層的考慮因子，因此外推得到的u2即為高度z2處接近于實(shí)際狀態(tài)的風(fēng)速。相比于直接用低層風(fēng)速和對(duì)數(shù)率外推輪轂高度風(fēng)速的方法，模型綜合考慮大氣穩(wěn)定度和海面動(dòng)力學(xué)粗糙度對(duì)海上風(fēng)廓線的影響，其結(jié)果更能接近實(shí)際情況，減少由于外推帶來的計(jì)算誤差。圖1為基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型流程圖。

圖1 模型流程圖Fig. 1 Flow chart of proposed model

2.2 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

在實(shí)際應(yīng)用中，均方根誤差RMSE和平均絕對(duì)誤差MAE可以用來衡量預(yù)測(cè)值與真值之間的偏差，因此，本算例采用這兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)模型的精確度，計(jì)算公式如下：

(14)

(15)

3 算例分析

3.1 海上測(cè)風(fēng)塔信息

本文以大連莊園某海上風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)為1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)，江蘇某海上風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)為2號(hào)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)，首先利用1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行海上風(fēng)資源分布分析，再利用1號(hào)和2號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文提出的基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型。1號(hào)測(cè)風(fēng)塔位于黃海北部大南島附近海域；數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2016年1月1日0時(shí)～2016年12月31日23時(shí)50分，采樣周期為10 min。原始數(shù)據(jù)完整率較高，達(dá)到95%以上，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18710-2002及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 31147-2018，經(jīng)數(shù)據(jù)插補(bǔ)后完整率為100%；2號(hào)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2017年1月1日0時(shí)～2017年12月31日23時(shí)45分，采樣周期為15 min，經(jīng)數(shù)據(jù)插補(bǔ)后完整率為93%，表1為1號(hào)和2號(hào)測(cè)風(fēng)塔基本信息。

表1 測(cè)風(fēng)塔基本信息Tab.1 Information of wind mast

3.2 海上風(fēng)資源分布

3.2.1 大氣穩(wěn)定度參數(shù)及分類

大氣穩(wěn)定度是造成風(fēng)速垂直變化的主要熱力因素。根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算逐時(shí)刻梯度理查森數(shù)及莫奧長(zhǎng)度，利用表2的分類標(biāo)準(zhǔn)將大氣狀態(tài)進(jìn)行分類。

表2 大氣穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standard of atmospheric stability classification

為了驗(yàn)證大氣穩(wěn)定度分類的準(zhǔn)確性，保證外推計(jì)算的精度，統(tǒng)計(jì)了1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)大氣狀態(tài)分類情況。圖2是大氣穩(wěn)定度逐時(shí)刻的分類情況，圖3是不同季節(jié)大氣穩(wěn)定度的分類情況?？梢钥闯觯瑹o論是什么時(shí)間尺度，中性狀態(tài)的比例都不高，在圖1中，中午時(shí)刻不穩(wěn)定占的比例高于其他時(shí)刻，夜里穩(wěn)定時(shí)刻所占的比例更高，綜合來看，全年大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)比例更多。

圖2 逐時(shí)刻大氣穩(wěn)定度分類 Fig. 2 Classification of atmospheric stability by hour

一般情況下近地層中氣溫隨高度的升高而降低，而氣溫隨高度的升高而升高的現(xiàn)象稱為逆溫。當(dāng)陸地較暖的空氣平流至較冷的海面時(shí)，海面上就可能形成逆溫層。逆溫層的存在阻止氣流的垂直運(yùn)動(dòng)，使大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，且逆溫層越厚，影響就越大。在圖3中，春季穩(wěn)定狀態(tài)所占的比例明顯高于其他季節(jié)，分析其成因，計(jì)算統(tǒng)計(jì)了出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象的時(shí)刻在各個(gè)季節(jié)的分布情況，由表3可以看出，春季出現(xiàn)逆溫的比例明顯要高于其他季節(jié)，因此春季穩(wěn)定狀態(tài)占的比例較高可能是逆溫現(xiàn)象引起的，同時(shí)也說明大氣穩(wěn)定度分類基本準(zhǔn)確。

圖3 不同季節(jié)大氣穩(wěn)定度分類Fig.3 Classification of atmospheric stability by season

季節(jié)春夏秋冬全年比例/%7.853.081.203.2215.35

圖4及圖5分別為不同高度的風(fēng)速圖及70 m與90 m風(fēng)速相關(guān)性分析。由圖4可以得出，10 m高度風(fēng)速與其他高度風(fēng)速之間差別較大，其他高度層尤其是60 m以上，風(fēng)速差較小，可以看出海上風(fēng)能資源隨高度的變化較小，且該規(guī)律也說明在外推風(fēng)速時(shí)，盡量將相近的高度層風(fēng)速作為基準(zhǔn)風(fēng)速。圖5是本文擬采用的基準(zhǔn)高度70 m 及外推高度90 m風(fēng)速之間的相關(guān)性。

圖4 不同高度風(fēng)速Fig. 4 Wind speed of different heights

圖5 70 m和90 m高度風(fēng)速相關(guān)性Fig. 5 Relevance of wind speed at 70 m and 90 m

3.2.2 風(fēng)切變指數(shù)

空氣運(yùn)動(dòng)因受湍流粘性和下墊面摩擦的影響，風(fēng)速隨高度的增加而增加的變化規(guī)律用風(fēng)切變指數(shù)來表征。風(fēng)切變指數(shù)是確定風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型及其安裝高度的重要依據(jù)，其大小反映風(fēng)速隨高度增加的快慢。在風(fēng)力發(fā)電資源評(píng)估過程中，輪轂高度通常在70～140 m之間，但是測(cè)風(fēng)塔高度一般達(dá)不到輪轂高度，就需要用風(fēng)切變指數(shù)外推輪轂高度風(fēng)速[20]。

計(jì)算了不同高度層的風(fēng)切變指數(shù)，如圖6所示，1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)平均風(fēng)切變指數(shù)僅為0.053 2，明顯低于陸上大部分風(fēng)電場(chǎng)。不同高度差之間的風(fēng)切變指數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，但是12月和1月部分高度出現(xiàn)了負(fù)切變，且由于大氣狀態(tài)較穩(wěn)定，各高度之間風(fēng)切變指數(shù)相差較大。

圖6 不同高度差的風(fēng)切變指數(shù)Fig. 6 Wind shear exponent at different height interval

3.2.3 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度是10 min內(nèi)風(fēng)速隨機(jī)變化幅度的大小，反映的是風(fēng)速的波動(dòng)情況[21]，其變化和大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)[22]，產(chǎn)生湍流的原因主要有兩個(gè)，一個(gè)是氣流流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到海面粗糙度的摩擦或者阻滯作用，另一個(gè)是空氣密度和大氣溫度差引起的氣流垂直運(yùn)動(dòng)[23]。這兩個(gè)原因正好對(duì)應(yīng)海面動(dòng)力學(xué)粗糙度和大氣穩(wěn)定度影響，圖7是不同大氣穩(wěn)定度下的風(fēng)廓線，圖8是不同穩(wěn)定度下的湍流強(qiáng)度。

圖7 不同穩(wěn)定度下風(fēng)廓線 Fig. 7 Wind profile of different atmospheric stability

圖8 不同穩(wěn)定度下湍流強(qiáng)度Fig.8 Turbulence intensity of different atmospheric stability

1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)90 m年平均風(fēng)速和年平均湍流強(qiáng)度分別為6.122 m/s，0.108。由圖7和圖8可以看出，大氣穩(wěn)定度影響風(fēng)速及湍流強(qiáng)度的垂直分布。綜合來看，風(fēng)速和湍流強(qiáng)度隨高度的變化規(guī)律正好相反，且均受大氣穩(wěn)定度影響。在穩(wěn)定情況下，由于各層之間氣流的垂直交換少，導(dǎo)致湍流強(qiáng)度的變化不全符合高度越高，湍流強(qiáng)度越小的變化規(guī)律。中性情況下風(fēng)速及湍流強(qiáng)度的垂直分布與全年平均水平最為接近，這是傳統(tǒng)風(fēng)資源評(píng)估假設(shè)大氣狀態(tài)均為中性的依據(jù)，但是為了進(jìn)一步提高風(fēng)電項(xiàng)目落地的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，應(yīng)充分考慮大氣穩(wěn)定度對(duì)風(fēng)資源評(píng)估各參數(shù)的影響。

3.3 模型計(jì)算結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型的實(shí)際應(yīng)用效果，用兩個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別采用以下兩種方法外推輪轂高度風(fēng)速，并與輪轂高度實(shí)際風(fēng)速比較，利用選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)不同方法的準(zhǔn)確性和可靠性，設(shè)輪轂高度為90 m，基準(zhǔn)層風(fēng)速均為70 m。

方法一：目前風(fēng)資源評(píng)估中常用外推方法，即用全場(chǎng)平均風(fēng)切變指數(shù)外推輪轂高度風(fēng)速；

方法二：用本文提出的基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型外推輪轂高度風(fēng)速。

表4為分別用兩種外推方法得到的平均風(fēng)速及用最小二乘法擬合的風(fēng)速威布爾分布參數(shù)，圖9、圖10分別為兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速和風(fēng)功率密度的均方根誤差及平均絕對(duì)誤差。

表4 不同方法外推得到的海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源參數(shù)Tab.4 Offshore wind resource parameters by different extrapolations

圖9 1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速及風(fēng)功率誤差Fig. 9 RMSE and MAE of 1# wind farm

圖10 2號(hào)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速及風(fēng)功率誤差Fig.10 RMSE and MAE of 2# wind farm

表4分別從輪轂高度年平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度、風(fēng)速分布三個(gè)維度度量基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型的外推效果。由表中數(shù)據(jù)得到，方法二的優(yōu)勢(shì)在兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中均有體現(xiàn)，尤其是2號(hào)風(fēng)電場(chǎng)，外推得到的平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度及風(fēng)速分布參數(shù)都較傳統(tǒng)方法更接近實(shí)測(cè)值。在海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量計(jì)算過程中，風(fēng)功率密度及風(fēng)速分布參數(shù)都是極其重要的因子[24]，其越接近實(shí)測(cè)值，越能更好地模擬海上風(fēng)資源垂直分布，風(fēng)資源評(píng)估結(jié)果就越接近實(shí)際儲(chǔ)量。由于風(fēng)功率密度和風(fēng)速是立方關(guān)系，因此在大風(fēng)速下由外推帶來的評(píng)估誤差就會(huì)更加顯著。2號(hào)風(fēng)電場(chǎng)年平均風(fēng)速比1號(hào)風(fēng)電場(chǎng)高1.246 m/s，兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)由方法一得到的年平均風(fēng)功率密度絕對(duì)誤差分別為5.8 W/m2和41.8 W/m2，而方法二為0.8 W/m2和19 W/m2，可以得到模型在大風(fēng)速下的魯棒性更強(qiáng)。

由圖9、圖10可以得到，以平均絕對(duì)誤差和均方根誤差為確定性外推精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，所提模型改善外推精度的效果明顯。其中，風(fēng)速均方根誤差在兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)可降低0.03 m/s到0.37 m/s，風(fēng)功率密度均方根誤差在兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)可降低9.04 W/m2到83.58 W/m2；模型的風(fēng)速及風(fēng)功率密度平均絕對(duì)誤差在兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)均低于傳統(tǒng)外推方法。綜合來看，基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型在不同風(fēng)電場(chǎng)外推過程中取得了較理想的計(jì)算效果，為更精確的海上風(fēng)資源評(píng)估提供了參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

針對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組輪轂高度高于測(cè)風(fēng)塔高度、外推精度難以保證的問題，根據(jù)2座海上測(cè)風(fēng)塔的實(shí)際測(cè)風(fēng)資料，綜合分析研究了海上風(fēng)資源的評(píng)估參數(shù)及模型，并提出了基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

(1) 海上風(fēng)資源特性明顯區(qū)別于陸上，主要表現(xiàn)在平均風(fēng)速大、風(fēng)切變低、海洋表面動(dòng)力學(xué)粗糙度持續(xù)性變化，因此陸上風(fēng)資源的時(shí)空分布研究方法不適用于海上，不宜用陸上風(fēng)切變模型擬合海上風(fēng)廓線。

(2) 海上測(cè)風(fēng)階段，除測(cè)量不同高度的風(fēng)速、風(fēng)向外，還應(yīng)測(cè)量至少在兩個(gè)高度層的溫度，以計(jì)算大氣穩(wěn)定度參數(shù)，提高風(fēng)資源評(píng)估精度。

(3) 大氣狀態(tài)時(shí)刻都在發(fā)生變化，且中性狀態(tài)所占的比例較小，出現(xiàn)逆溫的比例也會(huì)影響大氣穩(wěn)定度分布，進(jìn)而影響海上風(fēng)資源分布。

(4) 提出了基于中性等效風(fēng)速的海上風(fēng)廓線模型，且所提模型的風(fēng)速均方根誤差在兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)可降低0.03 m/s到0.37 m/s，風(fēng)功率密度均方根誤差在兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)可降低9.04 W/m2到83.58 W/m2，均優(yōu)于傳統(tǒng)外推方法，為海上風(fēng)資源評(píng)估工程實(shí)際應(yīng)用提供了參考。