測風(fēng)塔和測風(fēng)數(shù)據(jù)合理性評估的實(shí)例分析

文 | 史剡烽 畢廣明 鄭亮

測風(fēng)塔和測風(fēng)數(shù)據(jù)合理性評估的實(shí)例分析

文 | 史剡烽 畢廣明 鄭亮

2013年5月15日，國務(wù)院《關(guān)于取消和下放一批行政審批項(xiàng)目等事項(xiàng)的決定》指出企業(yè)投資風(fēng)電站項(xiàng)目(總裝機(jī)容量50MW及以上項(xiàng)目)核準(zhǔn)權(quán)限由國家發(fā)展改革委下放到地方政府投資主管部門。自此在我國風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)中，為了節(jié)約核準(zhǔn)成本和降低核準(zhǔn)難度的裝機(jī)容量49.5MW項(xiàng)目將逐漸消失，隨之而來的風(fēng)電場最佳開發(fā)規(guī)模問題浮出。

風(fēng)電場年上網(wǎng)電量是決定風(fēng)電項(xiàng)目收益的最重要指標(biāo)，也是影響最佳開發(fā)規(guī)模的重要因素。為了在項(xiàng)目前期決策階段更加準(zhǔn)確的判斷風(fēng)電場規(guī)模和收益，風(fēng)能資源和項(xiàng)目成本評估工作精確性必須進(jìn)一步提高。隨著風(fēng)電場建設(shè)由“三北”和“沿海”平坦地區(qū)轉(zhuǎn)向中部、西南及南方等山地區(qū)域，風(fēng)能資源評估工作變得日益復(fù)雜。

評估依據(jù)及特點(diǎn)

目前風(fēng)能資源評估采用的依據(jù)包括《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》、《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法》以及《全國風(fēng)能資源評價(jià)技術(shù)規(guī)定》（以下分別簡稱《評估方法》、《測量方法》和《技術(shù)規(guī)定》）等。

《評估方法》是目前設(shè)計(jì)人員進(jìn)行風(fēng)電場風(fēng)能資源評估的主要依據(jù)?！对u估方法》的合理性分析包括范圍檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)和趨勢檢驗(yàn)三類。對于風(fēng)速風(fēng)向而言，就是規(guī)定了數(shù)值的合理取值范圍，提供了同時(shí)刻不同高度間風(fēng)速風(fēng)向的參考差值，以及前后時(shí)刻記錄值的參考變化量，其數(shù)據(jù)判斷時(shí)間節(jié)點(diǎn)為本時(shí)刻或本時(shí)刻與下一時(shí)刻，間隔多為短期。

《測量方法》規(guī)定了風(fēng)電場進(jìn)行風(fēng)能資源測量的方法，包括測量位置、測量參數(shù)、測量儀器及其安裝、測量數(shù)據(jù)的采集等。風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法中對于測風(fēng)塔及其設(shè)備的安裝有詳細(xì)的規(guī)定，在執(zhí)行性方面卻存在一些變數(shù)。設(shè)備安裝過程中，支架朝向的選取常以當(dāng)?shù)貧庀笳镜亩嗄曛鲗?dǎo)風(fēng)向?yàn)閰⒖?，而高山地區(qū)風(fēng)向的垂直分布復(fù)雜多變，安裝方面的疏忽可能給評估工作帶來諸多影響。

《技術(shù)規(guī)定》主要是以現(xiàn)有氣象臺(tái)站的測風(fēng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過整理、分析，對全國風(fēng)能資源的大小和分布進(jìn)行評價(jià)。其中一部分重要內(nèi)容為氣象站多年資料的收集，規(guī)定中對氣象站多年資料中觀測環(huán)境的記錄有要求，對于多年平均值的選取則連同評估方法一樣，未作明確的說明。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，多數(shù)臺(tái)站的觀測環(huán)境已經(jīng)大異于從前，有些只能搬遷以滿足觀測要求，而觀測設(shè)備的變更則更為普遍。這種情況下，臺(tái)站觀測資料直接用于長期修正，其可靠性值得商榷。

實(shí)例分析

在我們開展前期和建設(shè)期咨詢設(shè)計(jì)的風(fēng)電場項(xiàng)目中，僅僅依據(jù)《評估方法》等進(jìn)行短期數(shù)據(jù)的合理性判定時(shí)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果并不能有效反映數(shù)據(jù)的合理性；測風(fēng)塔設(shè)備或安裝的問題也時(shí)常給評估工作帶來很多不利因素；對于氣象站多年資料的選取對評估工作也有不小的影響。下文中，我們以安徽、湖南、廣西及云南等地的項(xiàng)目為例進(jìn)行說明。

一、測風(fēng)塔位置和風(fēng)速

湖南某項(xiàng)目場區(qū)內(nèi)設(shè)立了四座測風(fēng)塔，其中0003#測風(fēng)塔獲得了兩個(gè)坐標(biāo)值，短期內(nèi)沒有現(xiàn)場確認(rèn)的可能，給評估工作帶來很大的不確定性。項(xiàng)目測風(fēng)塔位置如圖1所示。

為此，采用軟件在測風(fēng)塔間相互推算切變值的方法，并通過與實(shí)測值比較來初步確認(rèn)測風(fēng)塔的實(shí)際位置。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，不同測風(fēng)塔推算的同一位置的切變值盡管有一定差別，但總體接近，與實(shí)測值也較為一致，可見該方法具有一定的參考性。通過比較0003#測風(fēng)塔位置1和位置2以及實(shí)測的切變值，初步判定位置2為實(shí)際位置，并依此開展資源評估工作。后續(xù)經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，與實(shí)際位置相符。

同為該項(xiàng)目，四座測風(fēng)塔平均風(fēng)速對比中，0004#測風(fēng)塔風(fēng)速明顯高于其他三座塔。依據(jù)《評估方法》，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。考察四座塔的Weibull分布參數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)0004#測風(fēng)塔的K值明顯高于其余三座塔，如表2所示，判定該測風(fēng)塔設(shè)備可能發(fā)生故障。后續(xù)經(jīng)設(shè)備更換，其K值與其余測風(fēng)塔接近。

在場區(qū)只有單測風(fēng)塔的情況下，雖然其各項(xiàng)參數(shù)均滿足《評估方法》的要求，而該塔風(fēng)速確存在問題，若將該塔用于資源評估，勢必影響對場區(qū)資源狀況的判斷，干擾對風(fēng)電場的投資決策。該項(xiàng)目中，多測風(fēng)塔的優(yōu)勢得以顯現(xiàn)。不僅在風(fēng)速判斷上，還在測風(fēng)塔位置的判斷上得到較好的體現(xiàn)。對于復(fù)雜地區(qū)的風(fēng)能資源評估，除在測風(fēng)設(shè)備選用和安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定外，更建議在場區(qū)內(nèi)選立多個(gè)測風(fēng)塔。

二、測風(fēng)塔風(fēng)向

安徽某項(xiàng)目場區(qū)呈長條狀山脊，測風(fēng)塔位于山脊頂部，地勢開闊，四周均無遮擋。依據(jù)《評估方法》，對于單測風(fēng)塔而言，風(fēng)向數(shù)據(jù)的合理性分析，主要包括數(shù)據(jù)范圍和不同高度間的相關(guān)性檢驗(yàn)。

圖1 湖南某項(xiàng)目測風(fēng)塔位置示意圖

圖2 安徽某項(xiàng)目測風(fēng)塔風(fēng)向玫瑰圖（左70m，右10m）

表1 湖南某項(xiàng)目風(fēng)切變實(shí)測與推算值

表2 湖南某項(xiàng)目測風(fēng)塔風(fēng)速與Weibull分布參數(shù)

分析測風(fēng)塔70m和10m高度風(fēng)向分布，如圖2所示。70m和10m主導(dǎo)風(fēng)向均為NNE，兩個(gè)高度逐時(shí)風(fēng)向相關(guān)性檢驗(yàn)亦符合《評估方法》中的規(guī)定。分析當(dāng)?shù)貧庀笳緮?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)多年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南和西北，與測風(fēng)數(shù)據(jù)差異很大。經(jīng)現(xiàn)場對測風(fēng)設(shè)備檢測后，發(fā)現(xiàn)風(fēng)向儀已經(jīng)故障。更換設(shè)備后的風(fēng)向結(jié)果與當(dāng)?shù)貧夂驙顩r較為一致。該實(shí)例是基于自身分析無法判定的特例。

廣西某項(xiàng)目屬于典型山地風(fēng)場，場區(qū)內(nèi)共設(shè)立三座測風(fēng)塔，沿山脊排布。其中0001#塔和0002#塔測風(fēng)時(shí)段較長，0003#塔數(shù)據(jù)較少。同時(shí)0002#塔由于受冰凍影響，存在部分缺測數(shù)據(jù)，因此0001#測風(fēng)塔以其測風(fēng)時(shí)段長度和數(shù)據(jù)完整性成為主要參考塔。項(xiàng)目測風(fēng)塔位置如圖3所示。

圖3 廣西某項(xiàng)目測風(fēng)塔位置示意圖

圖4 廣西某項(xiàng)目0001#塔和0002#塔風(fēng)向玫瑰圖

在風(fēng)向分析中，如圖4所示，0001#測風(fēng)塔風(fēng)向主要出現(xiàn)在NNW，0002#測風(fēng)塔主要出現(xiàn)在NNW和S，測風(fēng)時(shí)間較短的0003#測風(fēng)塔，風(fēng)向主要出現(xiàn)在N、S、NNW和SSE扇區(qū)。0001#塔和其余兩塔有明顯區(qū)別。

現(xiàn)場情況看，0001#測風(fēng)塔所在位置西北方向海拔逐漸增加，測風(fēng)塔受遮擋情況嚴(yán)重，其余方向無遮擋，測風(fēng)塔周邊地形如圖5所示。結(jié)合周邊測風(fēng)塔數(shù)據(jù)情況與近期更換風(fēng)向儀后的數(shù)據(jù)，該塔之前70m高度風(fēng)向數(shù)據(jù)可能存在錯(cuò)誤。

風(fēng)向相比風(fēng)速容易被忽略，卻極大得影響風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組排布，同時(shí)對風(fēng)電場的發(fā)電量尤其是山地風(fēng)電場的發(fā)電量影響甚大，其影響幅度甚至可能達(dá)到50%。風(fēng)向問題的原因包括設(shè)備故障以及安裝時(shí)無正北校正等。單測風(fēng)塔情況下，可以根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳荆Y(jié)合區(qū)域氣候特點(diǎn)以及再分析數(shù)據(jù)等判斷風(fēng)向數(shù)據(jù)的合理性。多測風(fēng)塔情況下，可在此基礎(chǔ)上增加測風(fēng)塔間的相互驗(yàn)證以判斷數(shù)據(jù)合理性。

三、測風(fēng)塔湍流強(qiáng)度和入流角

湍流強(qiáng)度和入流角，以其對風(fēng)場發(fā)電量和風(fēng)電機(jī)組安全性的影響，越來越為大家所重視。本節(jié)以湍流強(qiáng)度為例進(jìn)行說明，其處理方法也為入流角問題提供了借鑒。

云南某項(xiàng)目屬于高山風(fēng)電場，測風(fēng)塔位于山脊，現(xiàn)場情況如圖6所示。依據(jù)測風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算場區(qū)資源分布，并進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組排布。在分析風(fēng)電機(jī)組各項(xiàng)風(fēng)能參數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)部分機(jī)位的湍流強(qiáng)度值超過風(fēng)電機(jī)組安全指標(biāo)。分析測風(fēng)塔湍流強(qiáng)度時(shí)，未出現(xiàn)湍流突增現(xiàn)象，而是整體湍流強(qiáng)度偏大。

現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，該測風(fēng)塔測風(fēng)設(shè)備的安裝方向以當(dāng)?shù)貧庀笳镜娘L(fēng)向?yàn)閰⒄?，而高山場區(qū)的盛行風(fēng)向與之差異較大，結(jié)果造成該測風(fēng)數(shù)據(jù)受塔影效應(yīng)影響，未能真實(shí)反映場區(qū)的風(fēng)流狀況。為此，測風(fēng)塔設(shè)備安裝時(shí)，除考慮氣象站外，也應(yīng)結(jié)合場區(qū)實(shí)際做適應(yīng)性調(diào)整。

四、氣象站多年數(shù)據(jù)

風(fēng)電場需要長期運(yùn)行，多數(shù)測風(fēng)塔往往只有一年的數(shù)據(jù)。氣象站多年數(shù)據(jù)在一定程度上彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。然而隨著遷址、觀測環(huán)境變化以及觀測設(shè)備變更等因素不斷出現(xiàn)，給氣象站多年數(shù)據(jù)的使用帶來了諸多不確定性。

山東某項(xiàng)目測風(fēng)數(shù)據(jù)經(jīng)氣象站修正后高于預(yù)期，限制了機(jī)型選擇空間。在對所選用氣象站的觀測環(huán)境與設(shè)備使用情況考察后，選取了觀測環(huán)境較為一致的時(shí)段，并將數(shù)據(jù)做歸一化處理，氣象站現(xiàn)場情況如圖7所示。以處理后的多年數(shù)據(jù)修正風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)。改善后的計(jì)算結(jié)果，擴(kuò)大了機(jī)型選擇空間，在滿足機(jī)組安全性前提下，更有效地利用當(dāng)?shù)刭Y源，提高風(fēng)電場的發(fā)電量。

圖5 廣西某項(xiàng)目0001#測風(fēng)塔周邊地形

圖6 云南某項(xiàng)目測風(fēng)塔

圖7 山東某項(xiàng)目氣象站

結(jié)語

當(dāng)前國家的政策和風(fēng)電開發(fā)形勢，使得風(fēng)電場前期的資源評估工作愈發(fā)重要，要求也愈發(fā)細(xì)致，評估工作的難度也相應(yīng)越來越大。

目前評估工作中主要參照的評估方法，其數(shù)據(jù)判斷時(shí)間節(jié)點(diǎn)多為短期，通過實(shí)際評估經(jīng)驗(yàn)來看僅僅進(jìn)行此項(xiàng)判斷，不能有效反映數(shù)據(jù)的合理性；測風(fēng)塔安裝設(shè)備方面的問題給評估帶來很多不利因素；此外，氣象站長期資料的選取也對評估工作有不小的影響。

單測風(fēng)塔風(fēng)向?qū)嵗龑儆跓o法通過自身分析判定的特例，需結(jié)合考慮當(dāng)?shù)貧庀笳?、區(qū)域氣候特點(diǎn)及再分析數(shù)據(jù)等進(jìn)行驗(yàn)證；多測風(fēng)塔在風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)判別中的優(yōu)勢，在多個(gè)實(shí)例中得以體現(xiàn)，結(jié)合軟件進(jìn)行的相互驗(yàn)證則為數(shù)據(jù)的合理性判別提供了另外的途徑。

實(shí)例中測風(fēng)設(shè)備的安裝方位導(dǎo)致湍流記錄值偏大，源自山區(qū)風(fēng)場中氣象站與場區(qū)風(fēng)流狀況的差異。為此，在測風(fēng)設(shè)備安裝過程中，除嚴(yán)格按照國家規(guī)定外，也應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際作適應(yīng)性調(diào)整。

實(shí)例中多年氣象站資料對測風(fēng)數(shù)據(jù)的修正，影響了機(jī)型選擇范圍。多年資料包含了觀測環(huán)境，儀器變更和站址變遷施加的影響，使用時(shí)需加以考察并做歸一化處理，以整理出相對合理的長期數(shù)據(jù)。

(作者單位：北京聚合電力工程設(shè)計(jì)有限公司)