關(guān)于冪定律風(fēng)切變公式的應(yīng)用研究

蘇志勇，尤揚(yáng)

（1.北車風(fēng)電有限公司，濟(jì)南 250022；2.WindSim China，北京 100029）

0 引言

在風(fēng)電場工程的前期階段，當(dāng)測塔實(shí)測數(shù)據(jù)不含擬選機(jī)組輪轂高度處數(shù)據(jù)時(shí)，要通過風(fēng)切變公式將實(shí)測數(shù)據(jù)推導(dǎo)至輪轂高度。目前工程常用方法是采用測塔最高的一層和其下最近的一層數(shù)據(jù)來計(jì)算，該方法存在一定缺限，本文從理論分析入手，提出一種改進(jìn)計(jì)算的方法。

1 理論分析

標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)切變的公式如式(1)所示：

式中z1和v1作為基準(zhǔn)高度和基準(zhǔn)風(fēng)速，在風(fēng)切變指數(shù)α確定的情況下，可通過該公式計(jì)算任意高度的風(fēng)速，但實(shí)際工程中α屬未知量，要首先求出該值再計(jì)算其它高度層的風(fēng)速。在實(shí)際工程中各測風(fēng)高度的數(shù)值為已知量，通過數(shù)學(xué)計(jì)算即可得α值。

從理論上來說α是一個(gè)受天氣系統(tǒng)影響不斷變化的數(shù)值，同時(shí)其數(shù)值也與地形及地表粗糙度有直接關(guān)系，工程上假定大氣層結(jié)為中性時(shí)得出上述公式，而采用兩個(gè)高度數(shù)據(jù)的常用方法來求其它高度層風(fēng)速時(shí)與實(shí)際往往有一定誤差。

本文提出的方法與目前常用方法不同之處就是綜合所有高度層數(shù)據(jù)通過最小二乘法進(jìn)行擬合α值?？紤]到風(fēng)電場實(shí)際環(huán)境，測塔各個(gè)測風(fēng)高度層均受到地表粗糙度及地形的影響，通過流體力學(xué)的理論分析可知，在流場中距流體邊界越近的地方受邊界外形影響越大，這樣基準(zhǔn)層宜取距地面最遠(yuǎn)的測風(fēng)高度層，可盡量減少地表粗糙度及地形對測量數(shù)據(jù)的影響。新方法與常用方法對比如表1所示。

2 實(shí)際工程驗(yàn)證

考慮工程的代表性，作者選取包括山東、河北、內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、貴州、湖南等省及自治區(qū)的多個(gè)測塔數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，考慮到計(jì)算的對比性，從中選取具有4層測風(fēng)數(shù)據(jù)的測塔數(shù)據(jù)20個(gè)測塔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各測塔數(shù)據(jù)如表2所示。

每個(gè)測塔將測塔第4層數(shù)據(jù)作為目標(biāo)數(shù)據(jù)，分別用其它三個(gè)高度作為基準(zhǔn)層擬合切變值，計(jì)算第4層數(shù)據(jù)，同時(shí)采用目前常用方法使用第二層數(shù)據(jù)和第三層數(shù)據(jù)來計(jì)算第4層數(shù)據(jù)，各測塔擬合相關(guān)性如表3所示。

將所有計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制誤差分布圖如圖1所示。

從圖中可看出Pv3計(jì)算大部分誤差分布要較常用方法得出的誤差相對集中，且集中于1%附近，Pv2和Pv3較Pv1要差。

參考統(tǒng)計(jì)[2-3]的方法取各計(jì)算數(shù)值的誤差均值與標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算90%置信度的誤差如表4所示。

表1 兩種方法對比

表2 測塔數(shù)據(jù)表

表3 擬合相關(guān)性

圖1 誤差分布圖

表4 90%置信度誤差表

通過表4可知，進(jìn)行擬合計(jì)算時(shí)基準(zhǔn)層宜選取距地面最遠(yuǎn)的高度層。對于統(tǒng)計(jì)結(jié)果中第二高度層誤差最大的原因，經(jīng)初步分析，可能是由于測塔周邊植被對測塔處流場的影響，詳細(xì)的分析則是下一步工作的重點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文通過對審定律風(fēng)切變公式的分析，提出使用全部測量高度層數(shù)據(jù)計(jì)算風(fēng)切變指數(shù)的方法。通過對實(shí)際工程的對比可知，在實(shí)際使用該方法時(shí)，選取的基準(zhǔn)層宜取距地面最遠(yuǎn)的測風(fēng)高度層。以目前使用的測塔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的結(jié)果看，新計(jì)算方法要總體結(jié)果要優(yōu)于目前常用計(jì)算方法，在風(fēng)電場工程前期工作中應(yīng)用該方法，可提高工程計(jì)算的精度。

[1]施鵬飛,朱瑞兆.GB/T 18710-2002 風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[2]IEC 61400-1.Wind turbines-Part 1:Design requirements,ThirdEdition[S].2005.

[3]John A.Rice ,Mathematical Statistics and Data Analysis, Third Edition [M].Berkeley, University of California,2007.