氣象數(shù)據(jù)在風(fēng)資源評(píng)估和風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉韶平，張銘，朱瀅

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430012）

0 引言

氣候變化是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的重大問(wèn)題，關(guān)系著人類的生存與發(fā)展。為積極應(yīng)對(duì)氣候變化，中國(guó)政府提出了到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值溫室氣體排放比2005年下降40%～45%的行動(dòng)目標(biāo)。這一目標(biāo)為我國(guó)大力發(fā)展清潔能源，優(yōu)化能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)提出了明確的任務(wù)，也為我國(guó)加快風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源的開發(fā)和利用提出了新的要求[1]。《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，到2020年底，全國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)確保達(dá)到2.1億千瓦以上。在風(fēng)電行業(yè)快速發(fā)展的新時(shí)代下，將氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用于風(fēng)資源的評(píng)估，可提高風(fēng)資源評(píng)估的精確度，降低風(fēng)電開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)[2]。

1 氣象數(shù)據(jù)和測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)獲取

依據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》（GB/T18710-2002），應(yīng)收集風(fēng)電場(chǎng)氣象站的長(zhǎng)期測(cè)站數(shù)據(jù)，獲取風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)。以華潤(rùn)沙洋馬良二期風(fēng)電場(chǎng)為例，基礎(chǔ)資料如下：

（1）風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔逐十分鐘風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)；

（2）沙洋氣象站1958-2017年多年平均風(fēng)速、多年平均雷暴日數(shù)、年盛行風(fēng)向頻率，歷年最大風(fēng)速以及多年平均氣壓、水汽壓和氣溫；

（3）風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址區(qū)域1:10000和場(chǎng)區(qū)外延數(shù)字化地形圖。

2 氣象數(shù)據(jù)和測(cè)風(fēng)資料分析

2.1 氣象站氣象數(shù)據(jù)分析

2.1.1 氣象站相關(guān)情況介紹

距離本風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)較近的氣象站為沙洋氣象站，位于場(chǎng)區(qū)南部。沙洋氣象站為國(guó)家基本氣象站，始建于1957年2月，建站時(shí)位于沙洋縣西部，觀測(cè)場(chǎng)現(xiàn)位于 N30°41′，E112°33′，拔海高度 47 m。該站建站至今未遷過(guò)站，沙洋氣象站2008年由人工觀測(cè)改為自動(dòng)觀測(cè)。

2.1.2 氣象站常規(guī)氣象要素分析

沙洋縣境內(nèi)處于中緯度地區(qū)，屬北亞熱帶濕潤(rùn)大陸季風(fēng)氣候，具有四季分明、光能充裕、熱量豐富、雨量適中、雨熱同季的特點(diǎn)[3]。沙洋氣象站與風(fēng)電場(chǎng)相對(duì)位置關(guān)系見圖1。根據(jù)沙洋氣象站1958-2017年實(shí)測(cè)氣象資料[4]，各氣象要素統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 沙洋氣象站氣象要素統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of meteorological elements of Sha-yang meteorological station

表2 沙洋氣象站歷年年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of average annual wind speed of Shayang meteorological station

2.1.3 氣象站多年風(fēng)況資料分析

（1）年際風(fēng)況特征分析

沙洋氣象站1988-2017年的歷年的年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)見表2。

圖1 沙洋氣象站與風(fēng)電場(chǎng)相對(duì)位置關(guān)系示意圖Fig.1 A schematic diagram of the relative position between Sha-yang meteorological station and wind power plant

由表2可知，1988年至2008年平均風(fēng)速年均風(fēng)速變化較平穩(wěn)，2007年后年均風(fēng)速呈明顯增加趨勢(shì)，原因是因?yàn)樯逞髿庀笳?008年由人工觀測(cè)改為自動(dòng)觀測(cè)。改為自動(dòng)觀測(cè)后，沙洋氣象站2008-2017年共計(jì)10年的年平均風(fēng)速為3.74 m/s，測(cè)風(fēng)代表年（2016年11月1日至2017年10月31日）的年平均風(fēng)速為3.72 m/s。

（2）年內(nèi)風(fēng)況特征分析

沙洋氣象站改為自動(dòng)觀測(cè)后，2008-2017年共計(jì)10年和測(cè)風(fēng)年月平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

由表3可知，沙洋氣象站近10年和測(cè)風(fēng)年各月平均風(fēng)速變化趨勢(shì)一致，從季節(jié)分布來(lái)看，均以春冬季風(fēng)速較大，夏秋季風(fēng)速較小。

（3）風(fēng)向頻率

沙洋氣象站的風(fēng)向頻率分布情況見表4，可得出沙洋氣象站的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹向。

2.2 風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 測(cè)風(fēng)塔概況

風(fēng)電場(chǎng)8381#、8712#測(cè)風(fēng)塔分布于場(chǎng)區(qū)東側(cè)，風(fēng)電場(chǎng)8722#測(cè)風(fēng)塔分布于場(chǎng)區(qū)中部，0875#和0876#測(cè)風(fēng)塔分布于場(chǎng)區(qū)南部。測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)內(nèi)容有風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓及溫度等[5]。通過(guò)WT軟件計(jì)算出的各機(jī)位點(diǎn)平均風(fēng)速與測(cè)風(fēng)塔位置平均風(fēng)速較為接近，測(cè)風(fēng)塔位置的風(fēng)加速因素、湍流強(qiáng)度、水平偏差和入流角基本滿足規(guī)范要求，測(cè)風(fēng)塔周圍比較開闊，無(wú)大型遮擋體[6]。測(cè)風(fēng)塔概況見表5。

表3 沙洋氣象站近10年和測(cè)風(fēng)年月平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of mean annual wind speed of Sha-yang meteorological station in recent 10 years and measured wind months

從測(cè)風(fēng)時(shí)段來(lái)看，8381#、8712#、0875#和0876#測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)均超過(guò)一個(gè)完整年，但8722#測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)時(shí)長(zhǎng)僅5個(gè)月[7]，故本階段選取測(cè)風(fēng)時(shí)段較長(zhǎng)的8381#、8712#、0875#和0876#共4座測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)塔為代表測(cè)風(fēng)塔，8722#測(cè)風(fēng)塔僅作為參照塔[8]。

表4 沙洋氣象站的風(fēng)向頻率分布情況Table 4 Wind direction and frequency distribution of Sha-yang meteorological station

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》(GB/T18710-2002)的要求，8381#、8712#、0875#和0876#代表測(cè)風(fēng)塔皆選取完整率最高且數(shù)據(jù)同期的的時(shí)段2016年11月1日至2017年10月31日作為代表年[9]。

2.2.2 測(cè)風(fēng)塔風(fēng)況分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析風(fēng)電場(chǎng)代表測(cè)風(fēng)塔風(fēng)況，風(fēng)能資源結(jié)論如下：風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率密度等級(jí)為1級(jí)，風(fēng)速分布主要以中低風(fēng)速為主[10]，測(cè)風(fēng)塔處有效風(fēng)速利用小時(shí)數(shù)尚可，風(fēng)向穩(wěn)定在N～NE方向，風(fēng)能分布集中，湍流強(qiáng)度較低，風(fēng)切變指數(shù)較大[11]。各測(cè)風(fēng)塔代表年主要風(fēng)況參數(shù)表見表6。

3 氣象數(shù)據(jù)在風(fēng)資源評(píng)估和風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 長(zhǎng)年代測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的訂正

沙洋氣象站距離風(fēng)場(chǎng)比較近，與風(fēng)場(chǎng)具有相似的地形條件，與測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)同期測(cè)風(fēng)結(jié)果的相關(guān)性較好，具有30年以上的規(guī)范的測(cè)風(fēng)記錄，可作為長(zhǎng)年代測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正的參證氣象站[12]。

選取8381#測(cè)風(fēng)塔作為代表塔，對(duì)其數(shù)據(jù)和沙洋氣象站同期數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖7所示，其中：y代表氣象站風(fēng)速，x代表8381#測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速。

8381#測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)速與氣象站同期數(shù)據(jù)之間相關(guān)系數(shù)為0.65，風(fēng)速相關(guān)性較好，故依據(jù)氣象站多年數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)系列訂正。

圖2 8381#測(cè)風(fēng)塔100 m高度風(fēng)速與氣象站同期數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系圖Fig.2 Correlation diagram between 100 m wind speed of wind tower 8381# and data of meteorological station in the same period

表5 測(cè)風(fēng)塔概況Table 5 Overview of wind tower

表6 各測(cè)風(fēng)塔代表年主要風(fēng)況參數(shù)表Table 6 The main annual wind condition parameters of each wind measuring tower

由前述內(nèi)容可知，氣象站1988年至2008年平均風(fēng)速年均風(fēng)速變化較平穩(wěn)，2007年后年均風(fēng)速呈明顯增加趨勢(shì)，原因是因?yàn)樯逞髿庀笳?008年由人工觀測(cè)改為自動(dòng)觀測(cè)。改為自動(dòng)觀測(cè)后，沙洋氣象站2008-2017年共計(jì)10年的年平均風(fēng)速為3.74 m/s，測(cè)風(fēng)代表年（2016年11月1日至2017年10月31日）的年平均風(fēng)速為3.72 m/s。本階段選擇近10年的時(shí)間段對(duì)代表年進(jìn)行大小風(fēng)年進(jìn)行訂正分析，代表年風(fēng)速較近40年平均風(fēng)速低0.54%，因偏小幅度較小，本階段判斷對(duì)測(cè)風(fēng)塔代表年（2016年11月1日至2017年10月31日）做平風(fēng)年處理，暫不對(duì)代表年數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)年代訂正。

3.2 空氣密度計(jì)算

（1）根據(jù)沙洋氣象站資料推算空氣密度

根據(jù)沙洋氣象站實(shí)測(cè)多年平均氣溫、氣壓和水汽壓數(shù)據(jù)可由公式（1）計(jì)算氣象站平均空氣密度。

式中：ρ為平均空氣密度（kg/m3）；

t——平均氣溫（℃）；

P——平均氣壓（hPa）；

e——平均水汽壓（hPa）。

根據(jù)沙洋氣象站累年平均氣溫、氣壓、水汽壓資料：t=16.1 ℃，P=1003.3 hPa，e=15.4 hPa，采用公式（1）計(jì)算得到沙洋氣象站累年平均空氣密度為1.202 kg/m3。

（2）根據(jù)氣象站資料推算風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址空氣密度

該風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)地為平原，預(yù)裝風(fēng)機(jī)輪轂高度處海拔平均高度約100 m。利用沙洋氣象站累年平均氣溫資料（16.1 ℃），考慮海拔升高等因素，根據(jù)氣溫、海拔高度，采用公式（2）計(jì)算風(fēng)機(jī)輪轂高度處空氣密度。

式中：ρ——年平均空氣密度，kg/m3；

z——風(fēng)場(chǎng)的海拔高度，m；

T——年平均空氣開氏溫標(biāo)絕對(duì)溫度，T=t（℃）+273。

通過(guò)式（2）計(jì)算得到風(fēng)機(jī)輪轂高度處的空氣密度為1.17 kg/m3。

3.3 災(zāi)害性天氣的分析與應(yīng)對(duì)措施

據(jù)沙洋氣象站資料統(tǒng)計(jì)，該區(qū)域的年平均雷暴日數(shù)為30.6 d，雷暴活動(dòng)較為頻繁，因此應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的雷擊損壞機(jī)理，對(duì)葉片、機(jī)艙、軸承等機(jī)械部件以及信號(hào)、控制線路等采取不同的防雷措施[13]。

據(jù)沙洋氣象站資料統(tǒng)計(jì)，2016年7月17日08時(shí)至21日08時(shí)，沙洋馬良累計(jì)雨量881.5 mm。19至20日，沙洋馬良6小時(shí)降水519.9 mm，32小時(shí)累計(jì)降水量達(dá)到874.6 mm，其6小時(shí)、32小時(shí)累計(jì)雨量均突破了湖北省有氣象記錄以來(lái)的歷史極值。由于暴雨多，雨量大，易引起山洪爆發(fā)，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)坪、升壓站等生產(chǎn)場(chǎng)地漬澇等地質(zhì)災(zāi)害，給正常的生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)不利及增加維護(hù)費(fèi)用。

針對(duì)暴雨及洪澇災(zāi)害，應(yīng)急預(yù)案如下：

1）風(fēng)電場(chǎng)管理處成立防汛突擊隊(duì)，下暴雨時(shí)各隊(duì)員隨時(shí)待命。

2）每年雨季來(lái)臨前，組織人員做好排水溝的清除淤泥工作。

3）經(jīng)常檢查升壓站內(nèi)設(shè)施，發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)組織人員維修。

4）提高升壓站地基，或在雨季到來(lái)之前，用沙袋墊在升壓站門口。

5）準(zhǔn)備齊全防汛設(shè)備、工具，使其處于隨時(shí)能用狀態(tài)。

6）下暴雨期間，要保證24小時(shí)有人巡查，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)通知人員搶救。

據(jù)沙洋氣象站資料統(tǒng)計(jì)，歷年極端最低氣溫為零下14 ℃，存在一定的覆冰現(xiàn)象。覆冰是指地面樹木、設(shè)施等物體表面產(chǎn)生的結(jié)冰現(xiàn)象。對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，覆冰是不容忽視的災(zāi)害性天氣，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片表面大量覆冰時(shí)，會(huì)造成葉片負(fù)載增加，并使得粗糙度增加，這些都會(huì)降低翼型的氣動(dòng)性能，影響到機(jī)組的正常運(yùn)行。另外，風(fēng)機(jī)常規(guī)測(cè)風(fēng)儀中的風(fēng)杯被結(jié)成冰球，可導(dǎo)致測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，影響風(fēng)機(jī)正常發(fā)電；風(fēng)標(biāo)被凍結(jié)則將影響風(fēng)機(jī)主動(dòng)偏航；輸電線路電線結(jié)冰，會(huì)因負(fù)重增加而導(dǎo)致電線扭轉(zhuǎn)甚至拉斷，影響電力輸送。因此，在風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)和架空輸電線路等高聳構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)中，覆冰是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)[14]。

據(jù)沙洋氣象站資料統(tǒng)計(jì)，多年平均降雪日數(shù)為7.4 d，歷年最大積雪深度為16 mm，發(fā)生在1989年。若工程運(yùn)行階段積雪未及時(shí)清掃，可能導(dǎo)致場(chǎng)內(nèi)道路被積雪堵塞或引發(fā)車輛傷害事故，主變壓器等戶外電器設(shè)備長(zhǎng)期覆雪可能導(dǎo)致設(shè)備局部短路，電氣設(shè)備上的積雪清掃不符合規(guī)程、規(guī)范要求可能導(dǎo)致人員觸電事故發(fā)生。另外，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)建筑物頂部積雪未及時(shí)清理，荷載增大，有導(dǎo)致建(構(gòu))筑物因暴雪載荷增大而發(fā)生坍塌的可能。

4 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源圖譜繪制

綜合以上分析，風(fēng)能資源評(píng)估結(jié)論為：風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率密度等級(jí)為1級(jí)，風(fēng)速分布主要以中低風(fēng)速為主。風(fēng)電場(chǎng)主風(fēng)向和主風(fēng)能方向基本一致，盛行風(fēng)向較穩(wěn)定。風(fēng)電場(chǎng)湍流強(qiáng)度較低，風(fēng)切變指數(shù)較大，適合采用大葉片、高輪轂和較大單機(jī)容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[15]。

本階段采用Meteodyn_WT5.3.2軟件優(yōu)化和人工調(diào)整相結(jié)合的方式對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化布置[12]。根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，華潤(rùn)沙洋馬良二期風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域規(guī)劃裝機(jī)容量為100 MW，規(guī)劃安裝40臺(tái)2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。圖3根據(jù)測(cè)風(fēng)塔計(jì)算的100 m高度風(fēng)速分布圖，圖4為根據(jù)測(cè)風(fēng)塔計(jì)算的100 m高度風(fēng)能密度分布圖。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)100 m高度風(fēng)速分布圖Fig.3 Distribution of wind speed at 100 m height of wind farm

5 結(jié)論

風(fēng)能和太陽(yáng)能是清潔、可再生的自然資源，是未來(lái)能源的主要解決方案。而風(fēng)能開發(fā)利用全產(chǎn)業(yè)鏈均與氣象工作密切相關(guān)，對(duì)此我們可以從三個(gè)方面入手，將氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用于風(fēng)資源評(píng)估和風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)中。第一，根據(jù)基本氣象要素分析區(qū)域氣候特征；第二，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行佐證與分析；第三，根據(jù)對(duì)災(zāi)害性天氣的分析，在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取氣象災(zāi)害防治措施。隨著氣象數(shù)據(jù)在風(fēng)資源評(píng)估中的逐步應(yīng)用與推進(jìn)，可提高風(fēng)資源評(píng)估的精確度，有效地較低風(fēng)電開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)100 m高度能量密度分布圖Fig.4 Distribution map of energy density at 100 m height of wind farm