利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性分析

文|許昌，吉曉紅，胡會(huì)永，張鵬

利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性分析

文|許昌，吉曉紅，胡會(huì)永，張鵬

目前，復(fù)雜條件下風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量計(jì)算的準(zhǔn)確性受到風(fēng)能資源數(shù)據(jù)處理方法、地形地貌、場(chǎng)區(qū)風(fēng)能資源建模方法等因素的影響，造成計(jì)算的準(zhǔn)確性不高。特別是高海拔、高濕度、低溫等復(fù)雜環(huán)境的風(fēng)電場(chǎng)，此類風(fēng)電場(chǎng)在測(cè)風(fēng)中遇到的最大問(wèn)題是因冰凍、倒塔等因素導(dǎo)致風(fēng)能資源數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，如若選處理風(fēng)能數(shù)據(jù)的方法不恰當(dāng)，將會(huì)使結(jié)果偏差過(guò)大，風(fēng)能資源數(shù)據(jù)代表性差，將直接影響到發(fā)電量計(jì)算的準(zhǔn)確性，故風(fēng)能資源數(shù)據(jù)處理方法對(duì)于發(fā)電量計(jì)算的準(zhǔn)確性尤為重要。

再分析數(shù)據(jù)作為一種可替代的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)已在歐洲風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用，其可信度高，風(fēng)速與風(fēng)向數(shù)據(jù)都可以較好地反映實(shí)際風(fēng)況的變化趨勢(shì)。為了提高復(fù)雜條件下風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量計(jì)算的準(zhǔn)確性，本文利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。為了論證該處理方法的準(zhǔn)確性，本文選擇具有典型性的四川省某風(fēng)電項(xiàng)目進(jìn)行分析論證。

場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔情況

某風(fēng)電項(xiàng)目地處四川省涼山彝族自治州，場(chǎng)址區(qū)為兩條南北走向的山脊以及一山頂平臺(tái)，場(chǎng)址區(qū)長(zhǎng)約20km，寬約1.5－3.0km，海拔在2.6－3.96 km，風(fēng)電場(chǎng)屬于高海拔、高濕度、低溫山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，總面積約15.2km2。

該風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有兩座測(cè)風(fēng)塔，其中：

測(cè)風(fēng)塔1未安裝防凍設(shè)備、未進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，造成風(fēng)能資源數(shù)據(jù)較大范圍缺測(cè)。

圖1 某風(fēng)電場(chǎng)地形情況

圖2 兩塔完整月相關(guān)性分析及風(fēng)向玫瑰圖

測(cè)風(fēng)塔2為了驗(yàn)證利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，故在此項(xiàng)目中設(shè)置一座安裝有防凍設(shè)備的測(cè)風(fēng)塔，風(fēng)能資源數(shù)據(jù)完整率達(dá)到了91%。測(cè)風(fēng)塔1和測(cè)風(fēng)塔2距離約3km，海拔高度3.7 km左右，測(cè)風(fēng)設(shè)備均垂直于主風(fēng)向區(qū)（見圖1）。兩塔經(jīng)過(guò)整月數(shù)據(jù)相關(guān)檢驗(yàn)（其中完整月1月、2月、3月、5月、8月、9月），相關(guān)性達(dá)到了0.92以上（見圖2），相關(guān)性較好，可用測(cè)風(fēng)塔2的數(shù)據(jù)，來(lái)檢驗(yàn)采用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)塔1測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其兩塔的位置關(guān)系見圖1。

測(cè)風(fēng)塔3是采用Windigger模擬的測(cè)風(fēng)塔，提取與測(cè)風(fēng)塔1同層各風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，利用提取的再分析數(shù)據(jù)來(lái)處理測(cè)風(fēng)塔1風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，測(cè)風(fēng)塔3坐標(biāo)和測(cè)風(fēng)塔1采用同一坐標(biāo)。三座測(cè)風(fēng)塔的具體情況見表1。

表1 測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)情況

表2 因冰凍造成數(shù)據(jù)缺測(cè)的典型數(shù)據(jù)

測(cè)風(fēng)塔風(fēng)能資源數(shù)據(jù)的合理性分析

一、冰凍數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)

判斷的原則：對(duì)照各時(shí)段氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向結(jié)合其他高度的風(fēng)速、風(fēng)向綜合判斷。典型冰凍數(shù)據(jù)見表2。

處理方法：刪除風(fēng)速及對(duì)應(yīng)的風(fēng)向數(shù)據(jù)，按缺測(cè)數(shù)據(jù)處理。

二、合理性檢驗(yàn)

判斷原則：合理性檢驗(yàn)參考《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估辦法》（GB/T18710-2002）、《風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和處理方法》，分析結(jié)果見表3。

處理方法：經(jīng)過(guò)合理性分析后，選取符合實(shí)際情況的有效數(shù)據(jù)，回歸到原始數(shù)據(jù)組。

上述檢驗(yàn)完成后，對(duì)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)能資源數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)的完整率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表5。

表3 合理性范圍統(tǒng)計(jì)成果

表4 不合理典型數(shù)據(jù)

表5 有效數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計(jì)成果

利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

一、提取再分析數(shù)據(jù)

采用法國(guó)美迪WT公司的Windigger軟件提取再分析數(shù)據(jù)，該軟件在國(guó)內(nèi)外使用較為普遍，提取的再分析數(shù)據(jù)可信度較高。圖3是Windigger軟件操作界面。

圖3 Windigger軟件操作界面

二、缺測(cè)數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》（GB/T18710-2002），選擇線性相關(guān)的最小二乘法，將測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與再分析數(shù)據(jù)分扇區(qū)求解方程及相關(guān)系數(shù)，再利用相關(guān)方程插補(bǔ)測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，求得一套完整的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)。

該法可處理一組數(shù)據(jù)，可以從一組測(cè)定的數(shù)據(jù)中尋求變量之間的依賴關(guān)系。對(duì)風(fēng)能資源線性相關(guān)的分析，將參考站風(fēng)速數(shù)據(jù)（此處為再分析數(shù)據(jù)）作為X， 代表測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速數(shù)據(jù)作為Y，則在X - Y 平面上，可以得到n 個(gè)點(diǎn)pi ( xi，yi) ( i ＝ 1， 2， . . .，n)，這種圖形稱為“散點(diǎn)圖”，這些點(diǎn)大致散落在某直線附近, 我們認(rèn)為x與y 之間近似為一元線性函數(shù) y ＝ ax ＋ b， a、b求解公式如下 ：

一元線性函數(shù)y＝ax ＋ b和相關(guān)系數(shù)R的求解借助Excel即可實(shí)現(xiàn)，有兩種方法：

（1） 利 用SLOPE函 數(shù) 求 解 斜 率a（ 即k值 ），INTERCEPT函數(shù)求解截距b，CORREL函數(shù)求解R值；

（2）利用Excel插入散點(diǎn)圖求得一元線性函數(shù)和相關(guān)系數(shù)。

為了能更清晰地反映再分析數(shù)據(jù)與測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)各扇區(qū)的相關(guān)性，采用方法（1）求取a（即k值）、b值及相關(guān)系數(shù)R。求得的值見表6。

三、準(zhǔn)確性分析

為了驗(yàn)證利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，采用兩種方法進(jìn)行分析驗(yàn)證：

1.項(xiàng)目設(shè)立了測(cè)風(fēng)塔2，因測(cè)風(fēng)塔2原始測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)完整率91%，經(jīng)對(duì)不合理數(shù)據(jù)處理后的有效數(shù)據(jù)完整率達(dá)到98%，故采用測(cè)風(fēng)塔2測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)與利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)塔1測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若兩者接近，即證明利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高；

2.因測(cè)風(fēng)塔2與測(cè)風(fēng)塔1，地形、地貌、海拔等相似，且相關(guān)性高，故采用測(cè)風(fēng)塔2對(duì)測(cè)風(fēng)塔1進(jìn)行分扇區(qū)插補(bǔ)同層風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，若插補(bǔ)完的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)與利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)塔1的數(shù)據(jù)相近，即證明利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。

經(jīng)分析驗(yàn)證，驗(yàn)證方法1所計(jì)算得到的風(fēng)速差值為0.06m/s；驗(yàn)證方法2所計(jì)算得到的風(fēng)速差值為0.01m/s，兩種驗(yàn)證方法計(jì)算得到的風(fēng)速偏差值都較小，反映出利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果合理，準(zhǔn)確性較高，滿足規(guī)范要求。（分析情況見表7）

表6 利用函數(shù)公式求得a（即k值）、b值及相關(guān)系數(shù)R

表7 風(fēng)速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性分析表

結(jié)語(yǔ)

在復(fù)雜環(huán)境下，若選擇處理風(fēng)能數(shù)據(jù)的方法不恰當(dāng)，將會(huì)使結(jié)果偏差過(guò)大，風(fēng)能資源數(shù)據(jù)代表性差，將直接影響到發(fā)電量計(jì)算的準(zhǔn)確性。本文結(jié)合四川省某風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，介紹了利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的方法，經(jīng)分析得出以下結(jié)論：

（1）將再分析數(shù)據(jù)與測(cè)風(fēng)塔所測(cè)風(fēng)能資源數(shù)據(jù)采用最小二乘法求得各扇區(qū)相關(guān)系系數(shù)R值基本大于0.7，兩種數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性，從而說(shuō)明采用再分析數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)是可行的。

（2）結(jié)合實(shí)際工程論證，利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)求得測(cè)風(fēng)塔1完整測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)與測(cè)風(fēng)塔2完整的風(fēng)速差值為0.06m/s；采用測(cè)風(fēng)塔2對(duì)測(cè)風(fēng)塔1進(jìn)行分扇區(qū)插補(bǔ)同層風(fēng)能資源數(shù)據(jù)與利用再分析數(shù)據(jù)插補(bǔ)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)求得測(cè)風(fēng)塔1完整的風(fēng)速差值為0.01m/s。兩者計(jì)算出的風(fēng)速偏差值都較小，充分論證了該處理方法的合理性和準(zhǔn)確性，從而為處理質(zhì)量較差的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)提供了新的思路和方法。

（作者單位：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）