臺(tái)風(fēng)影響下海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)特性

王 印 劉飛虹 吳 迪 苗得勝 陳俊鵬

明陽智慧能源集團(tuán)股份公司

0 引言

在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過程中，清潔能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了大力支持，海上風(fēng)電作為清潔能源的重要組成部分，對(duì)于實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要意義。我國(guó)具有綿長(zhǎng)的海岸線、廣闊的可利用海域面積和豐富的海上風(fēng)能資源，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，但我國(guó)沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)高發(fā)。臺(tái)風(fēng)特性參數(shù)與海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)與控制息息相關(guān)，特別是風(fēng)向參數(shù)，直接參與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行與調(diào)控[1］，臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)向驟變是風(fēng)力機(jī)倒塌的主要原因之一[2］，因而對(duì)臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)向變化特性研究極為重要。

已有的臺(tái)風(fēng)特性研究多集中在臺(tái)風(fēng)影響期間風(fēng)速的脈動(dòng)特性、湍流強(qiáng)度、風(fēng)向角等方面[3-5］，對(duì)臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)向特性的研究較少。常蕊等[6］利用數(shù)值模擬的方法研究30 min 平均下，相鄰時(shí)刻風(fēng)向變化角度沿臺(tái)風(fēng)半徑方向的變化規(guī)律及臺(tái)風(fēng)眼周圍最大風(fēng)向變化角度分布；朱云輝等[7］對(duì)廈門地區(qū)150 m高空的四次臺(tái)風(fēng)過境時(shí)，2 h 數(shù)據(jù)內(nèi)10 min 平均下風(fēng)向角的整體變化范圍進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)四次臺(tái)風(fēng)的風(fēng)向角變化范圍差異較大；陳秋陽等[8］對(duì)比分析了3 座海上測(cè)風(fēng)塔測(cè)量同一場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過境時(shí)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)10 min 風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角度隨著距臺(tái)風(fēng)中心距離的增加呈逐漸減小的趨勢(shì)。何如等[9］利用超聲波測(cè)風(fēng)儀測(cè)量臺(tái)風(fēng)影響期間55 m 高度處的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，并針對(duì)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)變化進(jìn)行了分析。麥梁詩(shī)[10］通過沿海橋梁上記錄的3 場(chǎng)完整的臺(tái)風(fēng)過境期間的數(shù)據(jù)，分析了日常平均風(fēng)向、標(biāo)準(zhǔn)差，與臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)向、標(biāo)準(zhǔn)差的差異，但缺少對(duì)相鄰時(shí)刻風(fēng)向的瞬變分析，不能很好地代表臺(tái)風(fēng)期間海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)況。

以上有關(guān)臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)向的研究多集中在臺(tái)風(fēng)的整體風(fēng)向變化，極少有涉及臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)向變化，且臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)向研究仍基于10 min時(shí)間精度以上的數(shù)據(jù)分析，不能體現(xiàn)出風(fēng)向的驟變過程。因此，基于以上學(xué)者的研究成果，本文將依據(jù)多個(gè)臺(tái)風(fēng)過境期間，海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)所記錄到的高精度風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，分析1 s 平均及30 s 平均下海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)特性，為海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)及臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行提供參考。

1 數(shù)據(jù)說明

1.1 數(shù)據(jù)來源

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源于臺(tái)風(fēng)“山竹”“海高斯”“圓規(guī)”及“查帕卡”登陸我國(guó)廣東沿海地區(qū)期間，臺(tái)風(fēng)路徑沿途風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)設(shè)備記錄下的數(shù)據(jù)，測(cè)風(fēng)設(shè)備安裝于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙的頂部，記錄的主要要素包括：風(fēng)速、風(fēng)向、機(jī)組運(yùn)行模式、機(jī)艙對(duì)北角度、風(fēng)向?qū)Ρ苯嵌鹊?，?shù)據(jù)記錄頻率為1 Hz。本文分析的多場(chǎng)臺(tái)風(fēng)及其所影響的風(fēng)電場(chǎng)信息見表1，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑與受影響風(fēng)電場(chǎng)的位置關(guān)系如圖1所示，圖2為風(fēng)電場(chǎng)A在臺(tái)風(fēng)“山竹”影響下所記錄的原始時(shí)程數(shù)據(jù)。

圖2 “山竹”影響下風(fēng)電場(chǎng)A風(fēng)速風(fēng)向時(shí)程數(shù)據(jù)

表1 臺(tái)風(fēng)及其影響風(fēng)電場(chǎng)的信息統(tǒng)計(jì)

1.2 數(shù)據(jù)的篩選與統(tǒng)計(jì)方法

對(duì)于臺(tái)風(fēng)過境期間風(fēng)電場(chǎng)所記錄到的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，首先識(shí)別出其中的無效數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行剔除處理，處理完畢后有效數(shù)據(jù)完整率如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息

風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角表示的是當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)與前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)向差值，本文統(tǒng)計(jì)時(shí)間點(diǎn)的尺度分別為1 s平均與30 s 平均。在統(tǒng)計(jì)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角時(shí)，忽略數(shù)據(jù)斷點(diǎn)間的風(fēng)向變化。

為了便于下文分析，根據(jù)臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)力等級(jí)[11］，確定風(fēng)速特征參量（見表3），并根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的工程應(yīng)用可參考性，確定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征參量（見表4）。風(fēng)電機(jī)組葉輪的旋轉(zhuǎn)會(huì)使位于機(jī)艙頂部的測(cè)風(fēng)設(shè)備記錄到的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大偏差，因此重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析強(qiáng)風(fēng)速段所對(duì)應(yīng)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)特性，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，不僅能降低葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)分析結(jié)果的影響，還能分析獲取到機(jī)組在強(qiáng)風(fēng)速下承受極限載荷時(shí)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)特性。

表3 風(fēng)力強(qiáng)度分級(jí)

表4 統(tǒng)計(jì)特征參量

2 風(fēng)向偏轉(zhuǎn)特性分析

本節(jié)主要對(duì)臺(tái)風(fēng)過境期間，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同風(fēng)速段內(nèi)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角的大小進(jìn)行分析，探索具有典型特征的臺(tái)風(fēng)過境時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)特征，并對(duì)多場(chǎng)臺(tái)風(fēng)下風(fēng)向偏轉(zhuǎn)統(tǒng)計(jì)特征及其隨風(fēng)速的變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

2.1 風(fēng)向偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)

對(duì)臺(tái)風(fēng)“山竹”過境期間風(fēng)電場(chǎng)A的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，風(fēng)速范圍為2.5~57.5 m/s，數(shù)據(jù)的時(shí)間精度為1 s，按5 m/s 劃分風(fēng)速區(qū)間，統(tǒng)計(jì)各風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，處于不同風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角范圍的數(shù)據(jù)量。

不同風(fēng)速?gòu)?qiáng)度下的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)量如圖3 所示，風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角主要分布在2°以內(nèi)，且隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角呈減小趨勢(shì)。各風(fēng)速區(qū)間內(nèi)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在全風(fēng)速段下，絕大部分風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角小于18°，強(qiáng)風(fēng)速段的（風(fēng)速大于32.5 m/s）主體風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角小于10°，而超強(qiáng)風(fēng)速段（風(fēng)速大于47.5 m/s）的主體風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角小于8°，圖3（b）和（c）清楚地展現(xiàn)出上述變化。

圖3 不同風(fēng)速?gòu)?qiáng)度下的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)量統(tǒng)計(jì)

2.2 典型風(fēng)向偏轉(zhuǎn)變化分析

風(fēng)電機(jī)組的偏航控制需同時(shí)關(guān)注1 s 平均風(fēng)向及30 s 平均風(fēng)向，因此，分別獲取臺(tái)風(fēng)“山竹”過境期間風(fēng)電場(chǎng)A 中#1 機(jī)組、臺(tái)風(fēng)“查帕卡”過境期間風(fēng)電場(chǎng)C 中#1 機(jī)組所記錄的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)風(fēng)過境期間風(fēng)電場(chǎng)中1 s平均及30 s平均的典型風(fēng)向偏轉(zhuǎn)變化特性進(jìn)行分析。

2.2.1 1 s平均統(tǒng)計(jì)分析

臺(tái)風(fēng)過境時(shí)1 s 平均下的風(fēng)速、風(fēng)向偏轉(zhuǎn)隨時(shí)序變化如圖4 和圖5 所示，在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)可對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全性造成影響的強(qiáng)風(fēng)（≥35 m/s）下風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角特征參數(shù)。

圖4 “山竹”過境1 s平均下的風(fēng)速、風(fēng)向偏轉(zhuǎn)變化

圖5 “查帕卡”過境1 s平均下的風(fēng)速、風(fēng)向偏轉(zhuǎn)變化

臺(tái)風(fēng)“山竹”過境期間，風(fēng)電場(chǎng)A中風(fēng)速風(fēng)向1 s平均下的特征參量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。臺(tái)風(fēng)過境期間所有1 s平均下大于35 m/s風(fēng)速下風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，偏轉(zhuǎn)角的最大值為26.10°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為40.01 m/s；偏轉(zhuǎn)角的99%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的值為7.55°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為36.05 m/s；偏轉(zhuǎn)角的95%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的值為4.07°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為42.40 m/s。

表5 “山竹”過境1 s平均下的特征參量

臺(tái)風(fēng)“查帕卡”過境期間，風(fēng)電場(chǎng)C 中風(fēng)速風(fēng)向1 s 平均下的特征參量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。臺(tái)風(fēng)過境期間所有1 s 平均下大于35 m/s 風(fēng)速下風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，偏轉(zhuǎn)角的最大值為23.14°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為42.03 m/s；偏轉(zhuǎn)角的99%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的值為11.52°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為37.40 m/s；偏轉(zhuǎn)角的95% 分位數(shù)對(duì)應(yīng)的值為7.92°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為63.12 m/s。

表6 “查帕卡”過境1 s平均下的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.2.2 30 s平均統(tǒng)計(jì)分析

臺(tái)風(fēng)過境時(shí)30 s 平均下的風(fēng)速、風(fēng)向偏轉(zhuǎn)隨時(shí)序變化如圖6和圖7所示，對(duì)于30 s平均分析，統(tǒng)計(jì)在30 m/s 以上的強(qiáng)風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角特征參量。

圖6 “山竹”過境30 s平均下的風(fēng)速、風(fēng)向偏轉(zhuǎn)變化

圖7 “查帕卡”過境30 s平均下的風(fēng)速、風(fēng)向偏轉(zhuǎn)變化

臺(tái)風(fēng)“山竹”過境期間，風(fēng)電場(chǎng)A中風(fēng)速風(fēng)向30 s平均下的特征參量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7。臺(tái)風(fēng)過境期間所有30 s 平均下大于30 m/s 風(fēng)速下風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，偏轉(zhuǎn)角的最大值為18.45°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值為30.24 m/s；偏轉(zhuǎn)角的99%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的值為11.16°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值為36.29 m/s；偏轉(zhuǎn)角的95%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的值為5.57°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值為34.40 m/s。

表7 “山竹”過境30 s平均統(tǒng)計(jì)參數(shù)

臺(tái)風(fēng)“查帕卡”過境期間，風(fēng)電場(chǎng)C 中風(fēng)速風(fēng)向30 s 平均下的特征參量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表8，臺(tái)風(fēng)過境期間所有30 s 平均下大于30 m/s 風(fēng)速下風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，偏轉(zhuǎn)角的最大值為28.12°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值為38.63 m/s；偏轉(zhuǎn)角的99%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的值為13.03°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值為43.60 m/s；偏轉(zhuǎn)角的95%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的值為9.24°，對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值為42.98 m/s。

表8 “查帕卡”過境30 s平均下統(tǒng)計(jì)參數(shù)

將30 s 平均與1 s 平均所統(tǒng)計(jì)出的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)30 s 平均下99%、95%分位數(shù)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)值均大于1 s 平均的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，說明在臺(tái)風(fēng)影響期間，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)向處于一個(gè)持續(xù)偏轉(zhuǎn)的過程。

2.3 風(fēng)向偏轉(zhuǎn)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

基于多個(gè)臺(tái)風(fēng)過境時(shí)沿途風(fēng)電場(chǎng)的記錄數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角的最大值、99%分位數(shù)、95%分位數(shù)及其所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，1 s 平均及30 s 平均下的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9~表12，基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到偏轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)風(fēng)速的關(guān)系如圖8和圖9所示。

圖8 偏轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)風(fēng)速（1 s平均）

圖9 偏轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)風(fēng)速（30 s平均）

表9 “山竹”影響下風(fēng)電場(chǎng)A風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

表10 “海高斯”影響下風(fēng)電場(chǎng)A風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

表11 “圓規(guī)”影響下風(fēng)電場(chǎng)B風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

表12 “查帕卡”影響下風(fēng)電場(chǎng)C風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

圖8 為臺(tái)風(fēng)過境期間風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的1 s 平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由圖8（a）可知風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角最大值與其所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速呈正相關(guān)，而99%分位數(shù)、95%分位數(shù)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，30 s 平均下的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律，如圖9（a）所示。結(jié)合不同風(fēng)速?gòu)?qiáng)度下的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖3）可知，風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角有隨風(fēng)速增大而減小的趨勢(shì)，即風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角最大值不具有風(fēng)向隨風(fēng)速偏轉(zhuǎn)變化的代表性，而99%、95%分位數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)與散點(diǎn)數(shù)據(jù)分布結(jié)果具有一致性趨勢(shì)。因此，對(duì)風(fēng)速的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行參量統(tǒng)計(jì)時(shí)，99%分位數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有代表性。將99%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與風(fēng)速值的散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，1 s 平均和30 s 平均下擬合直線斜率分別為-0.060、-0.058，斜率相近。

以上所述數(shù)據(jù)是針對(duì)多場(chǎng)臺(tái)風(fēng)、多個(gè)風(fēng)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)結(jié)果，該統(tǒng)計(jì)結(jié)果能反映臺(tái)風(fēng)過境期間臺(tái)風(fēng)路徑沿途風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)變化特征，因此，對(duì)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)風(fēng)速進(jìn)行分位數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8（b）和圖9（b）所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，1 s 平均下，99%分位數(shù)偏轉(zhuǎn)角度最大值、中位值分別為16.38°、10.5°，對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為27.41 m/s、57.2 m/s；30 s平均下，99%分位數(shù)偏轉(zhuǎn)角最大值、中位值分別為17.06°、13.19°，對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為36.66 m/s、43.82 m/s。

3 結(jié)論

本文基于登陸廣東沿海的多場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過境期間風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的記錄數(shù)據(jù)，分析臺(tái)風(fēng)過境時(shí)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)輪轂高度處的風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角變化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1）風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角隨著風(fēng)速增大呈減小趨勢(shì)；

2）最大風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與風(fēng)速大小呈正相關(guān)，99%、95%分位數(shù)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角與風(fēng)速大小呈負(fù)相關(guān)，而99%分位數(shù)值遵循風(fēng)向偏轉(zhuǎn)角變化規(guī)律，對(duì)反映風(fēng)向偏轉(zhuǎn)的變化特征具有代表性；

3）根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的1 s 平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果，99%分位數(shù)偏轉(zhuǎn)角最大值、中位值分別為16.38°、10.5°，對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為27.41 m/s、57.2 m/s；

4）根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的30 s 平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果，99%分位數(shù)偏轉(zhuǎn)角最大值、中位值分別為17.06°、13.19°，對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為36.66 m/s、43.82 m/s。