風電場測風管理

文 | 胡學敏

風電場測風管理

文 | 胡學敏

對于一個風電項目來說，項目的前期決策是確保項目盈利的先決條件。在項目開工建設(shè)前獲得完整、準確的測風數(shù)據(jù)是評價一個擬建風電場優(yōu)劣的最重要的因素之一。要想提高測風數(shù)據(jù)的準確性和完整率，就要做好測風塔選址、測風塔維護、測風數(shù)據(jù)采集和測風數(shù)據(jù)整理分析過程中的工作，盡量避免由于測風數(shù)據(jù)誤差增加投資風險。另外精準的測風數(shù)據(jù)也是后評估階段要考慮的一項重要指標。

測風塔選址與安裝

一、 測風塔選址

（一） 測風塔位置的選擇

擬建風電場內(nèi)測風塔位置的選擇要遵循以下幾個原則：風電場區(qū)域內(nèi)測風塔位置的風況應(yīng)基本代表該風電場整體的風況，所立測風塔周圍環(huán)境要與風電機組位置的環(huán)境基本一致，也就是說安裝測風塔位置的風速、風向、溫度、濕度、大氣穩(wěn)定性、地表植被、地勢等因素要和將來設(shè)立機組點位處的這些因素基本保持一定的相似性。設(shè)立測風塔的目的就是能夠準確反映將來風電場內(nèi)機組位置的風能資源情況。根據(jù)國標GS/T 18709-2002規(guī)定，測風塔所選測量位置的風況應(yīng)基本代表該風電場的風況，測風塔位置既不能選在風電場區(qū)域的較高處也不能選擇較低的位置，所選位置應(yīng)能代表場區(qū)內(nèi)機組總體位置。測風塔附近應(yīng)無高大建筑物、樹木等障礙物，與單個障礙物距離應(yīng)大于障礙物高度的3倍，與成排障礙物距離應(yīng)保持在障礙物最大高度的10倍以上。測量位置應(yīng)選擇在風電場主風向的上風向位置。

對于復(fù)雜地形，隆升地形氣流在盛行風向吹向隆升地形時，山腳風速最小，山頂風速最大，半山坡的風速趨于中間，均不能代表風電場的風速，應(yīng)根據(jù)地形特征選在機組實際可能位置，在山頂、半山坡的來流方向安裝測風塔。對于低凹地形如峽谷內(nèi)，當盛行風向與低凹地形的走向一致時， 低凹地形內(nèi)的氣流被加速，適宜建設(shè)風電場。如果盛行風向與山谷走向不一致，谷內(nèi)的氣流變化復(fù)雜導致湍流增大，這樣的區(qū)域不宜建設(shè)風電場。所以，在這個地形條件下測風塔應(yīng)設(shè)在低凹地形盛行風向的上風入口處， 測風數(shù)據(jù)才具有代表性。

（二）測風塔數(shù)量的選擇

對于擬建風電場區(qū)域測風塔數(shù)量的選擇要兼顧經(jīng)濟性和技術(shù)性兩個方面。僅從技術(shù)角度考慮區(qū)域內(nèi)測風塔數(shù)量越多越能準確的反映出場區(qū)內(nèi)的風能資源分布情況。從經(jīng)濟性角度來講測風塔數(shù)量越多前期投入的成本就越多，適度的控制測風塔數(shù)量可以降低投資成本。所以在風電場前期測風塔數(shù)量的選擇要根據(jù)現(xiàn)場實際情況綜合考慮。

總體來說規(guī)劃區(qū)域內(nèi)測風塔數(shù)量根據(jù)風電場規(guī)模和地形復(fù)雜程度而定。一般來說，具有均勻粗糙度的平坦地形50km2-100 km2范圍考慮在場中央安裝1個測風塔即可。如果場區(qū)內(nèi)地表粗糙度在中間銜接發(fā)生急劇變化，測風塔應(yīng)避開此類地區(qū)， 在地表粗糙度變化前和變化后分別安裝測風塔；丘陵及山地地形30km2-40km2范圍考慮1個測風塔。 對于復(fù)雜地形來說，盡量設(shè)立兩個以上測風塔，以便綜合分析場區(qū)內(nèi)的風能資源。在選擇測風塔位置時，盡量不要把點位選擇在局部地形的地方。

二、 測風設(shè)備的選擇與安裝

目前國內(nèi)采用的測風設(shè)備主要為美國NRG公司的symphonie 型測風儀和美國賽風公司（SECONDWIND）的NOMAD測風系統(tǒng)以及西班牙EOL測風系統(tǒng)。這三種測風設(shè)備的工作原理基本一致，都屬于機械式測風儀。只是在細節(jié)上有所差距?？梢愿鶕?jù)擬建風電場現(xiàn)場的實際需求安裝合適的測風設(shè)備。

一般測風塔至少布置至少3層的風速儀、2層的風向儀，同時在7m-10m的設(shè)備箱中要布置風向、溫度、氣壓、濕度等氣象觀測應(yīng)以滿足今后風電場風能資源評估和設(shè)計的有關(guān)要求。各層的風速風向儀之間方位角一般相差180°，同時風速儀的安裝角度需與當?shù)刂鲗эL速呈90°，同時風向儀要根據(jù)當?shù)卮牌沁M行修正。具體如圖1。

測風數(shù)據(jù)采集與處理

一、測風數(shù)據(jù)采集

測風塔測風儀采集的數(shù)據(jù)一般通過無線通訊（GSM,GPRS/CDMA）、衛(wèi)星、短波等方式進行數(shù)據(jù)傳輸。在沒用無線通訊信號的地方則采取現(xiàn)場取數(shù)據(jù)的方法。采用無線通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸時一般可以設(shè)置多個接收數(shù)據(jù)的郵箱。即，數(shù)據(jù)可以同時發(fā)送到多個郵箱。建議各公司測風數(shù)據(jù)管理人員設(shè)施多個專用郵箱用來采集數(shù)據(jù)。定期利用批量下載軟件收集測風數(shù)據(jù)并以正本保存。測風數(shù)據(jù)收集周期不宜過長，一般不超過1個月，以便及時發(fā)現(xiàn)測風設(shè)備故障。對于沒有無線通訊區(qū)域的測風塔，應(yīng)盡量采用空間大的存儲卡。如果條件允許盡量一個月現(xiàn)場取一次數(shù)據(jù)。國標規(guī)定現(xiàn)場測量、收集數(shù)據(jù)應(yīng)至少連續(xù)進行一年，并保證采集的有效數(shù)據(jù)完整率達到90%以上。 數(shù)據(jù)收集、分析、處理的時段最長不宜超過一個月，如果數(shù)據(jù)缺失超過一個月，數(shù)據(jù)的完整率就很難保證達到90%以上。

二、 測風數(shù)據(jù)處理

（一）測風數(shù)據(jù)檢驗

收集的測量數(shù)據(jù)應(yīng)作為原始資料正本保存，用復(fù)制件進行數(shù)據(jù)分析和整理。對收集的數(shù)據(jù)進行初步判斷，判斷數(shù)據(jù)是否在合理的范圍內(nèi)；判斷不同高度的測量記錄相關(guān)性是否合理；判斷測量參數(shù)連續(xù)變化趨勢是否合理，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺漏和失真時，應(yīng)立即認真檢查測風設(shè)備，及時進行設(shè)備檢修或更換，并應(yīng)對缺漏和失真數(shù)據(jù)說明原因。

風電場測風數(shù)據(jù)檢驗的內(nèi)容包括完整性檢驗和合理性驗證。測風數(shù)據(jù)完整性驗證的內(nèi)容是統(tǒng)計風速、風向的缺失次數(shù)和測風數(shù)據(jù)的完整率。根據(jù)GB/T18710-2002 標準規(guī)定，合理性檢驗內(nèi)容主要有：合理性檢驗范圍，風速0 m/s-40m/s ,風向0°-360°，認為是合理的。相關(guān)性檢驗的合理范圍如表2，趨勢性的合理范圍規(guī)定1小時平均風速差的合理范圍應(yīng)小于6m/s,1小時平均氣溫差的合理范圍應(yīng)小于5°，3小時平均氣壓差的合理范圍應(yīng)小于1kPa。

（二） 測風數(shù)據(jù)整理分析

經(jīng)過對所測數(shù)據(jù)進行觀察和分析后發(fā)現(xiàn)，由于測風塔儀器故障、數(shù)據(jù)傳輸時網(wǎng)絡(luò)故障等原因，致使某天或是某月份數(shù)據(jù)存在遺漏和錯誤的現(xiàn)象，如果故障數(shù)據(jù)完整率不能達到國標90%以上的要求，必須對遺漏和錯誤的數(shù)據(jù)進行修補和訂正。修補的原則按不同風速求相關(guān)性的方法進行數(shù)據(jù)修正。一般來說，同一座測風塔一層風速、風向缺失損壞時有同塔相鄰層數(shù)據(jù)進行修補；如果同塔多層數(shù)據(jù)均缺失，采用場區(qū)內(nèi)相鄰幾個測風塔相關(guān)性最好的同層數(shù)據(jù)進行修補；對于場區(qū)內(nèi)沒有其他測風數(shù)據(jù)，附近又沒有相關(guān)性較好的測風塔，可采用氣象數(shù)據(jù)進行修補。但是氣象數(shù)據(jù)一般都設(shè)立在城鎮(zhèn)附近，塔高只有10m，相關(guān)性一般不好。如果條件允許可以購買長期中尺度數(shù)據(jù)，效果會更好一些。

每月對測風數(shù)據(jù)進行整理分析，及時發(fā)現(xiàn)測風儀器的故障，及時進行維護，在進行測風數(shù)據(jù)處理分析時借助一些軟件或是自己編制一些小程序會更直觀。對于新疆大部分區(qū)域、河西走廊地區(qū)或是山谷地形風速分布要注意是否呈現(xiàn)威布爾雙峰分布。還有當風切變?yōu)樨摃r，要正確判斷是真實的負切邊還是測風儀器故障，以免造成不必要的損失。

表1 相關(guān)性檢驗的合理范圍

測風儀使用壽命與移塔

目前的風電場安裝的測風塔都是機械式的測風儀，測風塔長期工作在風速較大、潮濕、低溫等惡劣環(huán)境下，測風儀極易磨損。風速儀和風速向儀工作幾年后獲得的測風數(shù)據(jù)的準確性就會降低。所以要定期對測風儀進行校驗和更換。目前很多風電場的測風塔都在超期服役，這樣測風塔運行2年后獲得的數(shù)據(jù)就會有很大的誤差，并且經(jīng)常出故障，這樣就失去了持續(xù)測風的意義。

現(xiàn)在為了節(jié)約成本，有些區(qū)域測風滿一年后，發(fā)現(xiàn)風能資源條件不適合建立風電場，就把塔轉(zhuǎn)移到其他地區(qū)進行測風。在移塔過程中，要對測風儀進行校準，塔架要重新加固。重新安裝時要嚴格按照新立測風塔的安裝說明進行安裝。這樣才能保證測風數(shù)據(jù)的準確性。

結(jié)語

早期建設(shè)的一些風電場由于對前期測風數(shù)據(jù)重視程度不夠，造成了前期決策階段的風能資源估算結(jié)果與風電場建成以后實際發(fā)電情況差距大、由于機組選型與實際風況不匹配而導致發(fā)電量較低或機組故障頻發(fā)等一系列問題。隨著風電場運行年限增加和后評估工作的開展這些問題才突顯出來，引起了風電企業(yè)的重視。風電企業(yè)只有不斷增強對風電場測風數(shù)據(jù)管理、測風設(shè)備安裝與維護的管理水平，才能使風電項目開發(fā)獲取完整、準確的測風數(shù)據(jù)，為進行準確的風能資源評估和合理的微觀選址提供了優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，避免風電場投資和運營風險，提高風電場運營效益。

（工作單位：大唐新能源試驗研究院）