湖北省風電場大風速段風資源特征分析

王必強，陳正洪，孫朋杰，黨超琪，徐迎春

（1.湖北省氣象服務(wù)中心，湖北 武漢 430070；2.陜西省氣象服務(wù)中心，陜西 西安 710014；3.武漢市氣象局，湖北 武漢 430000）

0 引言

湖北省風能資源儲量在華中4省中較為豐富，開發(fā)潛力巨大。風能資源的準確評估是建設(shè)風電場成敗的關(guān)鍵[1]，尤其是對于風能分布區(qū)域較少且山地較多的湖北，如何準確評估風能資源顯得尤為重要[2]?，F(xiàn)有研究表明，由于風能資源的評估問題，導致風電場在投產(chǎn)后的實際發(fā)電量比預計低20%～30%，有的甚至低至40%[3]。

風速分布曲線是評估風能資源的重要手段，工程上常用Weibull分布來估算風電場風能資源的一些重要參數(shù)。嚴彥分析了測風時間間隔對風速Weibull分布參數(shù)計算的影響[4]。龔偉俊比較了4種方法的Weibull分布參數(shù)估計結(jié)果[5]。金燕提出了相當風速和有功風功率密度兩個風能資源評估新參數(shù)[6]。吳婷婷利用測風塔年平均風速以及風功率密度、風速和風能頻率分布、風向頻率和風能密度方向分布、風切變指數(shù)、湍流強度、風能總儲量等參數(shù)進行了風能資源評估[7]。中國氣象局以400個測風塔實測數(shù)據(jù)得出了我國近地面層150 m高度范圍內(nèi)各高度層上的風能資源參數(shù)和資源分布立體圖譜[8]。

在風能資源評估及風力發(fā)電中，通常認為風速大于滿發(fā)風速即為大風速。近年來，湖北省風電場風機的滿發(fā)風速普遍降為9.0 m/s。為便于區(qū)分和描述，本文將大于9.0 m/s的風速稱為大風速段，將大于0.1 m/s的風速稱為全風速段。雖然大風速段占比較低，但風電場30%～50%的發(fā)電量發(fā)生在大風速段，且大風速段觀測受覆冰、儀器等影響較小，資料可靠性和完整性更好。近年來，湖北省氣象服務(wù)中心利用風速、風功率密度、發(fā)電量等指標開展了湖北省全部測風塔的風能評估工作，并嘗試將大風速段頻率作為重要參數(shù)指標應(yīng)用于全省風電場的風能資源評估中，取得了較好的應(yīng)用效果。但是，針對湖北省風電場大風速段風速的時空分布研究還不夠充分。

本文利用進行質(zhì)量控制后的24座測風塔資料，進行了大風速段頻率的時空分布特征分析和大風速段與全風速段風能資源對比。對比結(jié)果顯示，相比平均風速、平均風功率密度和發(fā)電量3個關(guān)鍵指標，大風速段這一指標與前三者均有較強的一致性，且24座測風塔年發(fā)電量的30%～50%發(fā)生在大風速段。因此，在后期風能資源開發(fā)中，可將大風速段作為一個重要指標進行評估。

1 測風塔空間分布及資料處理

1.1 測風塔空間分布

湖北省風能資源空間分布具有“三帶一區(qū)”的特征，分別為鄂東北的桐柏山大別山一線（隨州至麻城）、中部的襄荊通道（襄陽至荊門）、鄂西南的利川齊岳山高山、鄂東低山丘陵湖區(qū)（黃岡東部、黃石、咸寧），本文中分別簡稱為鄂東北、中部、鄂西南、鄂東4個區(qū)域。本文所用資料為24座測風塔的實測數(shù)據(jù)（表1）。測風塔的空間分布如圖1所示。其中鄂東北4座、中部7座、鄂西南6座、鄂東7座，觀測時段均較長。

表1 測風塔信息Table 1 The information table of wind towers

圖1 測風塔空間分布圖Fig.1 The spatial distribution map of wind towers

1.2 數(shù)據(jù)及預處理

測風塔每個時次的風速、風向、氣溫、氣壓資料均為10 min平均值。依據(jù)《風電場工程風能資源測量與評估技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31147—2018）[9]對測風塔的原始數(shù)據(jù)進行合理性檢驗，主要包括范圍檢驗、相關(guān)性檢驗及變化趨勢檢驗。根據(jù)表2，對不符合合理性檢驗標準的可疑數(shù)據(jù)，在分析該時次前后風速的變化趨勢后，對風速較其它各層變化明顯偏大，并且前后變化趨勢明顯不一致的數(shù)據(jù)進行剔除；如果該時次前后各高度同步變化，應(yīng)屬于合理數(shù)據(jù)，予以保留；對風速長時間顯示為靜風，或風速風向長時間固定的數(shù)據(jù)，予以刪除。

表2 測風塔資料合理性檢驗項目及參數(shù)Table 2 Rationality inspection items and parameter of wind towers

2 大風速段的時空分布特征

2.1 平均風速和大風速段頻率的空間分布特征

圖2為24座測風塔平均風速和大風速段頻率的空間分布圖。

圖2 平均風速和大風速段頻率的空間分布Fig.2 The distribution of average wind speed and frequency of high wind speed section in the different regions

由圖2可知，東北部黃岡、中部襄陽、鄂西南恩施以及北部隨州的大風速段頻率較大，平均風速與大風速段頻率的空間分布特征基本一致。說明這些地區(qū)的風能資源較好，這也與湖北省風能資源分布的“三帶一區(qū)”特征相符。

2.2 季節(jié)分布

圖3為鄂東北、中部、鄂西南、鄂東區(qū)域的大風速段頻率四季比例曲線，每條曲線代表該區(qū)域每個測風塔的均值。

由圖3可知：夏季大風速段頻率較高；鄂東北區(qū)域四季的大風速段頻率區(qū)分較明顯，夏季最高，冬季最低；鄂東和鄂西南為夏秋季較高，冬春季較低，且鄂東區(qū)域夏季10-15時大風速段所占比例較高，中部為春、夏、冬三季較高，秋季較低。從各區(qū)域的區(qū)域年均值和季節(jié)年均值來看，大風速段年均頻率最高值為鄂東北區(qū)域的14.77，最低值為中部區(qū)域的11.01。

圖3 大風速段頻率四季比例圖Fig.3 The curve of frequency of high wind speed section in different seasons for different regions

2.3 月分布

由表3可知：2-5月、7月、10月的大風速段頻率較高；鄂東北區(qū)域10月頻率較低；鄂東區(qū)域5月頻率較低，12月頻率較高；中部區(qū)域整體偏低。

表3 各區(qū)域逐月及年平均大風速段頻率Table 3 The monthly and annually average frequency of high wind speed section in different regions %

續(xù)表3

2.4 日內(nèi)分布

24座測風塔逐時大風速段頻率整體呈現(xiàn)夜間大、白天小的特征，19時-次日7時大風速頻率較高，11-15時大風速頻率較低。圖4為4個區(qū)域的逐時大風速段頻率逐時均值圖，整體呈現(xiàn)夜間大、白天小的特征。其中：鄂西南區(qū)域白天和夜間均值相差較大，中部區(qū)域白天和夜間均值相差較??；鄂東北區(qū)域均值較大，鄂東區(qū)域次之。

圖4 不同區(qū)域大風速段逐時頻率曲線Fig.4 The curve of hourly frequency of high wind speed section in different regions

2.5 風向特征

從每個區(qū)域前三風向頻率之和的均值來看，鄂東北區(qū)域為58.04%，中部區(qū)域為69.55%，鄂西南區(qū)域為67.95%，鄂東區(qū)域為64.92%，可見24座測風塔的大風速段的風向均較為集中。鄂東北區(qū)域大風速時段風向集中于偏南風和偏北風兩個方向；鄂東區(qū)域大風速時段風向集中于偏南風和偏東風兩個方向；鄂西南區(qū)域大風速時段風向集中于偏東風和偏南風兩個方向；中部區(qū)域大風速時段風向集中于偏北風方向。圖5為每座測風塔前三風向頻率之和與海拔的關(guān)系圖。由圖5可知，隨著海拔上升，前三風向頻率之和有下降趨勢。

圖5 24座測風塔海拔與前三風向頻率之和的關(guān)系Fig.5 The Relationship between altitude and the sum of top tree wind direction frequency for 24 wind towers

3 大風速段與全風速段風能資源對比

目前風能資源評估中使用的3個重要指標為平均風速、平均風功率密度和發(fā)電量。為了對湖北省風能資源的分布特征有全面的認識，并對大風速段風能資料的空間分布等有深入的了解，本文對比了大風速段與全風速段對應(yīng)的3個指標的情況。

3.1 年平均風速與大風速段頻率特征

圖6為24座測風塔的頂層年平均風速及大風速段頻率曲線。其中鄂東北、中部、鄂西南、鄂東4個區(qū)域的頂層年平均風速與大風速段頻率的相關(guān)性分別為0.954，0.922，0.886和0.983。由此可見，隨著年平均風速的逐漸增大，大風速段頻率也逐漸增大，呈現(xiàn)出很強的相關(guān)性。同時，4個區(qū)域的大風速段平均風速和年平均風速排序一致，均為鄂東北＞中部＞鄂東＞鄂西南。

圖6 24座測風塔頂層年平均風速與大風速段頻率Fig.6 The annual average wind speed and frequency of high wind speed section on the top layer of 24 wind towers

3.2 風功率密度特征

風功率密度表示與風向垂直的單位面積中風所具有的功率，與風速的三次方和空氣密度成正比關(guān)系。

通過計算每個時次的風功率密度，將全年的所有時次平均后得到DWP，其中大風速段時次的均值即為大風速段的DWP。

表4為4個區(qū)域的平均風功率密度及大風速段DWP。

表4 4個區(qū)域的平均風功率密度及大風速段DWPTable 4 The average wind power density of four regions and the average wind power density of high wind speed section

由表4可知，大風速段DWP明顯大于DWP，24座測風塔的大風速段功率密度平均增大倍數(shù)為4.31倍。DWP與大風速段DWP的排序基本一致，均為鄂東北區(qū)域最大，中部和鄂東區(qū)域次之，鄂西南區(qū)域最小。同時依據(jù)《風電場工程風能資源測量與評估技術(shù)規(guī)范》（NB/T 31147—2018）中的表5.3.6-2，給出了各區(qū)域?qū)?yīng)的風功率密度等級。

3.3 大風速段發(fā)電量特征

在風能資源評估中，理論發(fā)電量通常用等效滿負荷運行小時數(shù)（簡稱滿發(fā)小時數(shù)）來代表。表5為24座測風塔大風速段發(fā)電量及時次占比（GW121風機）。表中滿發(fā)小時數(shù)是按照折減系數(shù)為1，根據(jù)所選風機的理論功率曲線和每個時次平均風速累加計算得出。由表5可知，大風速段時次雖然只占總時次的12.2%，但是大風速段時次的發(fā)電量卻約占全年發(fā)電量的37.22%，其中，鄂東北區(qū)域為39.49%，中部區(qū)域為35.40%，鄂西南區(qū)域為35.90%，鄂東區(qū)域為38.89%，大風速段發(fā)電量遠超低風速段。4個區(qū)域的總發(fā)電量和大風速段總發(fā)電量排序一致，均為鄂東北＞鄂東＞鄂西南＞中部。

表5 24座測風塔大風速段發(fā)電量及時次占比Table 5 The power generation and time ratio of 24 wind towers in the high wind speed section

4 結(jié)論

本文對湖北省風電場平均風速和大風速段頻率的空間分布、大風速段的日、月、季分布和風向特征進行了詳細的分析。同時對年平均風速與大風速段頻率特征、風功率密度特征和大風速段發(fā)電量特征進行了分析。得到以下結(jié)論。

①平均風速與大風速段頻率的空間分布特征基本一致。

②逐時大風速段頻率整體呈現(xiàn)夜間大，白天小的特征。

③年平均風速和大風速段頻率呈現(xiàn)出很強的相關(guān)性，平均風功率密度與大風速段平均風功率密度的排序基本一致。

④大風速段時次雖然只占總時次的12.2%，但是大風速段時次的發(fā)電量卻占全年發(fā)電量的37.22%。