西沙風能資源評估與“五十年一遇”最大風速分析

諶玲，許武，劉光遠，蘇盛

(智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室(長沙理工大學(xué))，長沙市410004)

0 引言

西沙群島位于南海中北部，主要由永樂群島和宣德群島組成，陸地總面積約10 km2，其中，面積最大的永興島約2.1 km2，為三沙市人民政府駐地。因遠離大陸不能接入電網(wǎng)，西沙主要依靠島外海運柴油發(fā)電，不但費用昂貴，且柴油供應(yīng)易受海況自然條件及人為干擾等突發(fā)情況影響，燃油、供電保障困難。隨著國家海洋戰(zhàn)略的推進，為建設(shè)海島基礎(chǔ)設(shè)施、提高西沙供電能力，迫切需要發(fā)展海島風力發(fā)電。

西沙群島地處深海，地勢低平，常年受臺風影響，多年平均風速4.4m/s，具有開展風力發(fā)電的基本條件。盡管南海海面臺風活動頻繁，可能威脅風電機組安全;但一方面海上沒有復(fù)雜地形的影響，湍流強度低，另一方面海平面粗糙度低，風速隨高度變化的風切變小，無須搭建高聳塔架，有利于降低風荷載、提高抗風強度。

為摸清在西沙海島應(yīng)用風力發(fā)電技術(shù)的基本條件，本文收集、整理永興島地面氣象觀測站點1973—2011年觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合威布爾分布進行風能資源評估，并計算典型風電機組的利用小時數(shù);結(jié)合跨閾法(peak over threshold，POT)和廣義Pareto極值分布模型(generalized pareto distribution，GPD)，計算“五十年一遇”最大風速。

1 數(shù)據(jù)處理與分析方法

永興島地面氣象觀測站記錄有1973年至今的完整觀測數(shù)據(jù)，包含每天8次(3 h間隔記錄)的風速、風向、溫度等氣象要素，利用這些數(shù)據(jù)不但可以進行風資源評估，還能計算日極值風速，進而估算多年一遇最大風速。

1.1 風資源評估與典型風電機組發(fā)電量計算

風能資源評估是進行風電場建設(shè)的關(guān)鍵，是影響風力發(fā)電經(jīng)濟性的關(guān)鍵因素。風能資源評估的技術(shù)手段主要有:(1)基于氣象站歷史觀測資料的評估;(2)基于測風塔觀測資料的評估;(3)數(shù)值模擬［1］。其中，前者多用于風電場的宏觀選址，后兩者多用于風電場和風力發(fā)電機組的微觀選址。為避免拉尼娜和厄爾尼諾等反常氣候現(xiàn)象對風資源評估準確性的影響，還根據(jù)規(guī)程［2］要求，將2007—2011年風速均值排序后，取其中間值者(2007年)為氣候典型年進行風能資源評估。

風力發(fā)電主要利用近地層風的動能。風速在近地層隨高度而變化，其表達式為

式中:α為風切變指數(shù);v2為高度z2的風速;v1為高度z1的風速。因海面粗糙度系數(shù)小，風切變指數(shù)根據(jù)風能資源測量和評估技術(shù)規(guī)定選取為0.1［2］。

年均風速是評估風能資源的基本指標，其表達式為

風功率密度是氣流垂直通過單位截面積的風能，蘊含著風速、風速頻率分布和空氣密度的影響，是衡量風電場風資源的綜合指標，其表達式為

式中ρ為當?shù)啬昃諝饷芏?，主要受溫度和海拔影響。永興島觀測站點海拔高度為5m，2007年平均溫度為30.6℃，可利用式(4)進行空氣密度修正。

式中:P0為標準海平面標準大氣壓(101 325 Pa);g為重力加速度(9.8m/s2);R為氣體常數(shù)(287 J/(kg·K));T為大氣溫度［3-4］。根據(jù)西沙年均氣溫和海拔高度修正后的空氣密度為1.161 6 kg/m3。

受臺風制約，為保障風電機組安全性，在此選用單機容量30 kW的典型風電機組，評估發(fā)電能力。該機組切入風速2.5m/s，額定風速12m/s，切出風速2 5m/s，最大風速67m/s;葉片直徑12.8m，輪轂安裝高度為24m。其中，處于切入風速和切出風速之間的風能可利用小時數(shù)高達6 887 h。美國愛達荷國家工程實驗室在空氣密度為1.225 kg/m3的測試環(huán)境下對該機組測試的風速出力曲線繪制如圖1［5］。

圖1 典型風電機組風速－功率曲線Fig.1 Wind speed-power curve of specific wind turbine

利用氣象觀測數(shù)據(jù)計算風電出力時，為避免異常數(shù)據(jù)對計算結(jié)果的影響，一般結(jié)合風速的統(tǒng)計分布和典型機組的出力曲線進行計算。在各種統(tǒng)計分布中，威布爾分布能較好地擬合實際風速分布［6-7］。本文采用雙參數(shù)威布爾分布模型描述風速的分布特性，式(5)為其概率密度函數(shù)。

式中:fw(v)為風速v的概率密度;k為形狀參數(shù);c為尺度參數(shù);威布爾分布的概率分布函數(shù)為

式中:Fw(v)為風速小于v的概率。只要給定威布爾分布參數(shù)k，c，即可確定風速的分布特征［6］。

采用文獻［2］建議的平均風速和標準差法可估算威布爾分布參數(shù)。計算分布參數(shù)k和c后，可繪出其威布爾風速分布圖，并結(jié)合風機出力曲線得到時間段內(nèi)的發(fā)電量。永興島典型年風速威布爾分布繪制如圖2。由圖2可知，威布爾分布能很好擬合風速實際分布。此外，永興島風資源條件不盡理想，5m/s以下風速頻率較高，而12m/s以上大風頻率偏低，導(dǎo)致風電機組額定狀態(tài)工作時間短，經(jīng)濟性欠佳。

圖2 威布爾風速擬合Fig.2 Histogram of wind and fitted Weibull distribution

1.2 “五十年一遇”最大風速計算方法

風力發(fā)電機組屬于典型的高聳結(jié)構(gòu)，具有高度高、重量輕、剛度小、外形細長等特征。風輪受風荷載作用巨大，將會給風機支撐結(jié)構(gòu)帶來較大的傾覆彎矩。風力發(fā)電塔是一種風敏感結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)工程將風荷載作為主要設(shè)計荷載［8］。

風荷載分為平均風和脈動風兩部分。其中，短周期的脈動風主要由紊流引起，接近結(jié)構(gòu)自振周期，作用性質(zhì)是動態(tài)的，屬隨機動荷載。平均風變化周期遠離結(jié)構(gòu)物的自振周期，可以看作靜力作用。風對結(jié)構(gòu)的作用可以看作平均風的靜力作用和脈動風動力作用的疊加［9］。在分析風電機組的結(jié)構(gòu)安全性時，需計算基準期內(nèi)的最大均勻風［8］。

由于風荷載具有很強的隨機性，因此基準期內(nèi)的極值風荷載需根據(jù)其統(tǒng)計特性進行研究。在各國的荷載規(guī)范中，基本風速是平均風速滿足一定保證率的期望風速。需要考慮的主要是用于確定風力發(fā)電機組最大載荷的極端風速［10］。T年一遇的最大風速xp是風工程應(yīng)用中的常用值，其與分布概率p的關(guān)系是

式中p=P{x≥xp}=1－P{x＜xp}。

風電場“五十年一遇”最大風速是決定風電機組極限載荷的關(guān)鍵指標，也是風電項目開發(fā)中機組選型和經(jīng)濟評估的關(guān)鍵指標之一。我國電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程和《風力發(fā)電機組安全要求》規(guī)定，確定最大風速需要收集鄰近氣象站點20年以上、地表10m高度的風速數(shù)據(jù)［10］，按照經(jīng)典極值理論中的極值I型(Gumbel)分布進行頻率計算，求取年出現(xiàn)概率為0.02(“五十年一遇”)的平均風速作為設(shè)計基準風速［9-10］。

近年來極值領(lǐng)域的研究表明，基于經(jīng)典極值理論的極值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型分布僅利用了每年的最大值信息，會造成可用信息的極大浪費［11］。為了能更加合理地應(yīng)用氣象觀測資料，研究人員提出了基于廣義Pareto極值分布模型的跨閾法(peak over threshold，POT)，該方法用Pareto分布去模擬超越某閾值的峰值風速。相較于經(jīng)典的年最大值方法，該方法增大了樣本數(shù)量，能更充分地利用樣本信息，已經(jīng)在金融、氣象和災(zāi)害研究領(lǐng)域得到大量應(yīng)用［11-12］。

POT法一般運用文獻［13］提出的平均剩余函數(shù)圖法指導(dǎo)選取閾值u，并認為樣本風速中大于閾值u的風速數(shù)據(jù)是服從泊松分布的，在n足夠大時，樣本數(shù)據(jù)服從廣義Pareto分布，即

式中:b ＞0，1+γ(x－u)＞0;b、γ分別為廣義Pareto分布的尺度和形狀參數(shù)［13］。

假設(shè)Yi=Xi－u，那么。則T年重現(xiàn)期的最大風速的重現(xiàn)期水平為

式中:n是樣本中大于u的樣本數(shù)的年平均值，即n=k/m;k是大于u的樣本總數(shù);m為樣本的年數(shù)。

2 風能資源評估

按上述方法，計算永興島典型年10m高度年均風速、風能密度、典型風電機組的年利用小時數(shù)及折算發(fā)電量 分 別 為 4.088m/s、72.315 W/m2、1 348 h、40 440 kW·h?？梢?，10m高度風能密度出乎意料的低，典型年風能密度不到100 W/m2，屬于風能2級區(qū)域;盡管風能可利用小時數(shù)高達6 887 h，但根據(jù)典型風機參數(shù)計算得到的風電機組利用小時數(shù)1 348 h，折算發(fā)電量40 440 kW·h。為搞清西沙風能的季節(jié)性分布，繪制各月份平均風速及發(fā)電量，如圖3所示。

因產(chǎn)生熱帶氣旋或臺風的要素是海面水溫不低于26.5℃，夏、秋季節(jié)海水經(jīng)充分加熱后更易滿足此條件，故西沙島嶼的最小風速多出現(xiàn)在上半年，而7—10月隨著熱帶氣旋的增加［14］，空氣環(huán)流活躍，月均風速也達到較高水平，相應(yīng)月份的計算發(fā)電量也會明顯高于其他季節(jié)。

3 “五十年一遇”最大風速

根據(jù)記錄的逐時風速數(shù)據(jù)整理得到日極值風速，如圖4所示。由圖4可知，2000年以前超20m/s極值風速出現(xiàn)頻率較高，2000年以后，極值風速出現(xiàn)概率有可察覺的下降。根據(jù)平均剩余函數(shù)圖，選擇9m/s作為閾值，超閾值樣本數(shù)共計1 276個。

圖3 典型風電機組的月平均風速和月發(fā)電量Fig.3 Monthly mean wind speed and monthly energy output of specific wind turbine

圖4 永興島日極值風速序列Fig.4 Series of daily maximum wind in Yongxing Island

分位數(shù)圖(quantile-quantile plot)是用于直觀驗證一組數(shù)據(jù)是否服從某種分布的非參數(shù)方法。其橫軸為理論上該分布模型的輸出，縱軸為實際統(tǒng)計數(shù)值。如數(shù)據(jù)分布與理論模型一致，則兩者將處于一條直線上，否則將會明顯偏離直線［13］。為判斷超閾值樣本是否服從GPD分布，以下將選出的樣本分位數(shù)繪制如圖5所示。由圖5可見，除少數(shù)樣本外，多數(shù)超閾值樣本均勻分布在直線兩側(cè)，可以認為超閾值樣本服從GPD分布。

圖5 超閾值極值風速分位數(shù)圖Fig.5 Quantile plot of extreme wind over threshold

根據(jù)所選樣本計算得到GPD模型參數(shù)，然后計算得到風速極值似然函數(shù)，并將其函數(shù)輪廓圖繪制如圖6所示。圖中弧線為風速極值似然函數(shù)，分別與2根水平線段相交，與上方橫線的交點對應(yīng)的橫軸坐標為“五十年一遇”最大風速，與下方橫線的交點對應(yīng)的橫坐標為95%置信區(qū)間的上、下邊界。計算得到“五十年一遇”最大風速為42.2m/s，其95%置信區(qū)間為［32.0m/s，72.6m/s］。

圖6 似然函數(shù)輪廓圖Fig.6 Profile of likelihood function

根據(jù)IEC標準設(shè)定風機分型及設(shè)計風速分檔(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型風機的風速分別為 50，42.5，37.5m/s)，針對永興島42.2m/s的“五十年一遇”最大風速，可以考慮選用Ⅱ型風機。但IEC規(guī)程規(guī)定，對于西沙海島這樣具有特殊外部條件的風力發(fā)電機組，要求采用S級特殊安全等級，根據(jù)具體要求進行特殊設(shè)計。其設(shè)計值需由設(shè)計者根據(jù)最大風速、湍流等多種因素綜合確定［15］。

4 結(jié)論

(1)盡管永興島位于南海深部，但其僅屬2級風區(qū)，風資源條件遠不如預(yù)期。全年主導(dǎo)風速在5m/s以下，風電機組額定狀態(tài)工作時間短，盡管島上風能可利用小時數(shù)高達6 887 h，可以應(yīng)用風力發(fā)電技術(shù)，但所選典型風機的發(fā)電利用小時數(shù)不足1 400 h。

(2)結(jié)合1973年至今逐日最大風速和POT法，計算得到永興島“五十年一遇”最大風速為42.2m/s，顯著高于陸地風電機組，需根據(jù)IEC標準選取較高型號的風機;但由于該地區(qū)處于臺風頻發(fā)地區(qū)，一般建議選用S型風電機組。

［1］沈宏濤.山區(qū)風資源特點和風電場選址方法［J］.電力建設(shè)，2013，34(12):92-96.

［2］GB/T 18710—2002風電場風能資源評估方法［S］.北京:中國標準出版社，2002:12-14.

［3］牛山泉.風能技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2009:9-18.

［4］白樹華，盧繼平.西藏高原的氣候環(huán)境對風力發(fā)電的影響分析［J］.電力建設(shè)，2006，27(11):37-40.

［5］Idaho National Laboratory.Power curves of major manufacturer［EB/OL］.Idaho Arco:Idaho National Laboratory，2012［2014-03-9］.https://inlportal.inl.gov/portal/server.pt/community/wind_power/424/software.

［6］李澤椿，朱蓉，何曉鳳，等.風能資源評估技術(shù)方法研究［J］.氣象學(xué)報，2007，23(5):708-717.

［7］李軍軍，吳政球，譚勛瓊，等.風力發(fā)電及其技術(shù)發(fā)展綜述［J］.電力建設(shè)，2011，32(8):64-72.

［8］黃維平，李兵兵.海上風電場基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述［J］.海洋工程，2012，30(2):150-156.

［9］肖琦，王永杰，肖茂祥.特高壓雙回輸電塔線體系風振響應(yīng)研究［J］.水電能源科學(xué)，2013，31(4):194-197.

［10］DL/T 5158—2002電力工程氣象勘測技術(shù)規(guī)程［S］.北京:國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會，2002:20-22.

［11］李宏男，王楊，伊廷華.極值風速概率方法研究進展［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2009，18(2):15-26.

［12］陳子燊，劉曾美，路劍飛.基于廣義Pareto分布的洪水頻率分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2013，32(2):68-73.

［13］Palutikof J P，Brabson B B，Lister D H，et al.A review of methods to calculate extreme wind speeds［J］.Meteorological Applications，1999，6(2):119 –132.

［14］Kitamoto Laboratory.Hurricane list of the Pacific ［EB/OL］.Tokyo:Kitamoto Laboratory，2012［2014-03-9］.http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/year.

［15］International Electrotechnical Commission.International standard IEC 61400-1 Ed.3，Wind turbines– Part 1:Design requirements.2005:22-23.