風(fēng)電工程中負(fù)切變現(xiàn)象的分析研究

吳 莎，余官培，盧 勝，朱一凡，汪 健，萬鵬飛

(湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司，武漢 430040)

0 引言

準(zhǔn)確分析風(fēng)電機組輪轂高度處的風(fēng)資源是估算風(fēng)電場發(fā)電量的先決條件。在實際的風(fēng)電場工程中，往往測風(fēng)塔的測風(fēng)高度與風(fēng)電機組的輪轂高度不一致，因此，通過合理的風(fēng)廓線推算出目標(biāo)高度的風(fēng)速情況顯得尤為重要。通常，風(fēng)廓線由冪指數(shù)模型來表示，以風(fēng)切變指數(shù)來表征風(fēng)速隨高度變化而變化的情況。在實際風(fēng)電工程中，會出現(xiàn)某層高度間的風(fēng)切變指數(shù)為負(fù)值的情況，即負(fù)切變現(xiàn)象，這會造成風(fēng)速外推計算的不準(zhǔn)確性，從而影響風(fēng)電機組的點位布置及其輪轂高度的選擇。

HELLMAN[1]提出的冪指數(shù)風(fēng)切變模型是目前最常用的、簡單可行的計算風(fēng)切變指數(shù)的公式，但冪指數(shù)形式的風(fēng)切變模型忽略了粗糙度與大氣熱穩(wěn)定性等因素對風(fēng)廓線的影響。PANOFSKY等[2]提出了利用大氣熱穩(wěn)定性函數(shù)和粗糙度來評估風(fēng)切變指數(shù)的經(jīng)驗公式。PASQUILL[3]把大氣熱穩(wěn)定性分為了5個等級，即：極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、中性、弱穩(wěn)定、穩(wěn)定。劉瑋等[4]分析了不同大氣熱穩(wěn)定性的判定參數(shù)，并結(jié)合大氣熱穩(wěn)定性提出了新的風(fēng)廓線外推模型。賀德馨[5]分析了不同地形對風(fēng)特性的影響情況。但目前的研究中對實際風(fēng)電工程中的負(fù)切變現(xiàn)象普遍缺乏分析研究。

基于此，本文對風(fēng)電工程中負(fù)切變現(xiàn)象的主要影響因素進(jìn)行了分析研究。針對粗糙度、復(fù)雜地形及大氣熱穩(wěn)定性這3種條件分別對風(fēng)切變特性的影響進(jìn)行了分析，歸納了實際工程中常見的典型場景下的負(fù)切變現(xiàn)象，提出了合理的風(fēng)切變特性分析方法，并給出了不同影響條件下風(fēng)電機組的點位排布與風(fēng)電機組輪轂高度選取的建議。

1 風(fēng)切變模型及判定參數(shù)

1.1 風(fēng)切變模型

風(fēng)切變是指水平風(fēng)速隨高度變化而產(chǎn)生的變化，風(fēng)切變的輪廓稱為風(fēng)廓線。本文所研究的風(fēng)速均為水平風(fēng)速。

風(fēng)切變指數(shù)計算公式為：

式中，z1、z2為不同高度層的離地高度，m；u1、u2為z1、z2高度層的風(fēng)速，m/s；α為風(fēng)切變指數(shù)，其值與下墊面粗糙度、大氣熱穩(wěn)定性、復(fù)雜地形有關(guān)。α值的大小決定了水平風(fēng)速在垂直方向上的變化程度，表征風(fēng)速隨高度增加的快慢，α值大，表示風(fēng)速梯度大；α值小，表示風(fēng)速梯度小。

1.2 負(fù)切變現(xiàn)象

一般情況下，大氣邊界層中，水平風(fēng)速隨著高度的增加而增加，通常會呈現(xiàn)出冪指數(shù)模型形式的風(fēng)廓線分布，如圖1a所示。風(fēng)切變指數(shù)越大，風(fēng)速的大小隨高度變化產(chǎn)生的變化越劇烈。在某些特殊情況下，尤其在復(fù)雜地形條件下，容易出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象，如圖1b所示。負(fù)切變往往會造成風(fēng)速外推計算的不準(zhǔn)確性，從而影響風(fēng)電機組輪轂高度的選擇，并影響對風(fēng)電機組輪轂高度處風(fēng)資源的分析結(jié)果。

圖1 冪指數(shù)模型形式的風(fēng)廓線分布Fig. 1 Wind profile distribution in form of power exponential model

1.3 粗糙度的概念

粗糙度是與粗糙程度相關(guān)的一個常數(shù)，表示下墊面風(fēng)速為零的離地高度。下墊面是指與大氣下層直接接觸的地球表面，包括海洋、陸地及陸地上的高原、山地、平原、森林、草原、城市等。不同的下墊面粗糙度條件下，風(fēng)廓線的差異很大。常見的下墊面的粗糙度經(jīng)驗取值如表1所示。

表1 常見的下墊面的粗糙度經(jīng)驗取值Table 1 Empirical values of roughness of common underlying surfaces

1.4 大氣熱穩(wěn)定性及其判定方法

大氣熱穩(wěn)定性是指大氣受到了垂直方向上的擾動后，能否回到原來的平衡位置的一種特性。大氣熱穩(wěn)定性主要受太陽輻射與風(fēng)速的影響。根據(jù)當(dāng)前的理論，大氣熱穩(wěn)定性可分為6個等級，即：極不穩(wěn)定(A)、不穩(wěn)定(B)、較不穩(wěn)定(C)、中性(D)、較穩(wěn)定(E)、穩(wěn)定(F)。

常用的大氣熱穩(wěn)定性的判定方法主要包括：

1)梯度理查森數(shù)判定方法。梯度理查森數(shù)Ri

[6]是通過風(fēng)速、溫度梯度來判斷大氣的熱穩(wěn)定性，對風(fēng)速、溫度參數(shù)的精度要求較高。

2)總體理查森數(shù)判定方法。當(dāng)風(fēng)電場場區(qū)的跨度較大、測風(fēng)數(shù)據(jù)的時間尺度較長時，可用總體理查森數(shù)RiB[7]代替Ri。

3)水平風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差判定方法。當(dāng)測風(fēng)塔無溫度梯度數(shù)據(jù)時，可采用水平風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差σθ[8]來計算大氣熱穩(wěn)定性。該方法適用于平坦開闊地形。

4)垂直溫度梯度判定方法。垂直溫度梯度ΔT/Δz(其中，ΔT為不同高度層的溫差；Δz為高度差)[8]可反映熱力湍流的影響，以此來判定大氣熱穩(wěn)定性。

5)風(fēng)速比判定方法。風(fēng)速比UR反映了大氣湍流擴散能力，適用于風(fēng)速大、穩(wěn)定性級別高的大氣熱穩(wěn)定性判定。

6) Monin-Obukhov判定方法。Monin-Obukhov的長度L[6]表征了湍流切應(yīng)力和浮力對湍動能貢獻(xiàn)的相對大小，可以此來判定大氣熱穩(wěn)定性。

在上述常用的大氣熱穩(wěn)定性的判定方法中，由于RiB對風(fēng)速、溫度梯度的精度要求較低且適用范圍廣，因此，本文選擇總體理查森數(shù)判定方法進(jìn)行分析。

RiB的計算公式為：

式中，g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋籘2、T1分別為上、下高度層的溫度；T′為上、下高度層的平均溫度。

不同學(xué)者基于RiB提出了各自不同的判定大氣熱穩(wěn)定性的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，具體如表2所示。

表2 不同的基于RiB的大氣熱穩(wěn)定性的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Different classification criteria of atmospheric thermal stability based on RiB

2 負(fù)切變現(xiàn)象的成因分析

2.1 下墊面粗糙度造成的影響

粗糙的表面比光滑的表面更容易在近地層中形成湍流，使風(fēng)速充分垂直混合。混合作用加強會使近地層的風(fēng)速梯度減小，而梯度風(fēng)的高度增高，即粗糙度高的下墊面比粗糙度低的下墊面到達(dá)梯度的高度更高，所以粗糙的下墊面層中的風(fēng)速比光滑的下墊面層中的風(fēng)速小。

而在2種粗糙度類型的下墊面相接的過渡段，下風(fēng)向的風(fēng)要經(jīng)過一段距離才能使其狀態(tài)重新適應(yīng)新的粗糙度情況，此時風(fēng)廓線就會變得十分復(fù)雜。當(dāng)風(fēng)由光滑的下墊面吹向粗糙的下墊面時，風(fēng)廓線形狀會在近地層部分變窄，使上高度層的風(fēng)切變指數(shù)比下高度層的大，就會在風(fēng)廓線中部形成1個拐點；當(dāng)風(fēng)從粗糙的下墊面吹向光滑的下墊面時，風(fēng)廓線形狀會在近地層部分變大，使上高度層的風(fēng)切變指數(shù)比下高度層的小，從而導(dǎo)致風(fēng)廓線中部出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象。其中最典型的案例就是潮間帶海上風(fēng)電場，當(dāng)風(fēng)從陸地吹向海洋時，就容易出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象；而當(dāng)風(fēng)從海洋吹向陸地時，風(fēng)廓線就容易出現(xiàn)拐點。不均勻粗糙度對風(fēng)廓線的影響如圖2所示。

圖2 不均勻粗糙度對風(fēng)廓線的影響Fig. 2 Effect of uneven roughness on wind profile

2.2 復(fù)雜地形造成的影響

地形對大氣邊界層中的風(fēng)特性影響十分顯著。一般來說，山地地形可分為2類：隆升地形和低凹地形。局部地形的上升或下降都會使氣流改變方向，而且相鄰地方的風(fēng)速方向可能差異很大。隆升地形可對風(fēng)產(chǎn)生加速效應(yīng)，當(dāng)山脊與風(fēng)向正交時，氣流沿著上升地形不斷匯集，在山脊頂部區(qū)域加速最大；然后氣流在越過山脊后，壓力減小，風(fēng)向發(fā)生變化，形成負(fù)壓區(qū)；最后在山區(qū)的背風(fēng)側(cè)形成低速的回流。風(fēng)與不同形狀的山脊相交產(chǎn)生的風(fēng)廓線均不相同。抬升坡度使靠近地面部分的風(fēng)加速變快，而地面上方高處的風(fēng)速受到的影響較小，最終使底層的風(fēng)速大于高層的風(fēng)速，產(chǎn)生負(fù)切變現(xiàn)象。當(dāng)隆升地形的坡度過于陡峭時，就形成了山崖，風(fēng)的整個流場在山崖正面部分會開始產(chǎn)生分離，氣流減速；然后跨過山崖頂點時氣流加速；最終會形成復(fù)雜的流動性風(fēng)廓線和產(chǎn)生旋渦區(qū)[9]。

2.3 大氣熱穩(wěn)定性造成的影響

一般是在低風(fēng)速情況下需要考慮大氣熱穩(wěn)定性對風(fēng)廓線的影響，當(dāng)風(fēng)速小、云量少時，白天的大氣熱穩(wěn)定性呈不穩(wěn)定，但晚上的大氣熱穩(wěn)定性呈穩(wěn)定；而當(dāng)風(fēng)速大、云量多時，白天和晚上的大氣熱穩(wěn)定性通常呈中性穩(wěn)定。大氣熱穩(wěn)定性與熱浮力相關(guān)，而低風(fēng)速時由熱浮力引起的氣流上升速度相對較大。

一天之中，大氣邊界層的熱穩(wěn)定性會出現(xiàn)從穩(wěn)定到不穩(wěn)定的狀態(tài)變化，風(fēng)廓線形狀和大氣邊界層厚度均會產(chǎn)生明顯的變化。在晚上，地表氣溫降低，大氣熱穩(wěn)定性呈穩(wěn)定狀態(tài)，大氣邊界層厚度減小，風(fēng)速變大，對應(yīng)的風(fēng)切變指數(shù)較大；而在白天，尤其是中午，在太陽輻射下，地表氣溫上升，產(chǎn)生上升氣流，大氣熱穩(wěn)定性呈不穩(wěn)定狀態(tài)，大氣邊界層厚度變大，風(fēng)速減小，對應(yīng)的風(fēng)切變指數(shù)較小。當(dāng)大氣邊界層中出現(xiàn)逆溫層時，溫度切變呈現(xiàn)負(fù)值；此時上高度層對應(yīng)的風(fēng)切變指數(shù)小，而下高度層對應(yīng)的風(fēng)切變指數(shù)大，中間層就會出現(xiàn)負(fù)切變的現(xiàn)象。

3 實際風(fēng)電場中的典型負(fù)切變現(xiàn)象的分析

本文分別以福建省某近海潮間帶海上風(fēng)電場、屬于復(fù)雜地形的湖北省某山地風(fēng)電場、屬于溫度變化劇烈區(qū)域的東南亞某平原風(fēng)電場作為算例，分析了粗糙度、復(fù)雜地形、大氣熱穩(wěn)定性對風(fēng)切變的影響，并對實際風(fēng)電場工程中的典型負(fù)切變現(xiàn)象進(jìn)行了分析。

3.1 算例1——粗糙度對風(fēng)切變的影響

本段分析以福建省某海上風(fēng)電場為例。由于該項目屬于近海潮間帶風(fēng)電場，大氣熱穩(wěn)定性呈中性穩(wěn)定，因此本算例主要分析陸地與海平面的粗糙度變化對風(fēng)切變的影響。

3.1.1 風(fēng)電場測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)分析

該海上風(fēng)電場的測風(fēng)塔的離岸距離為3.5 km，距離陸地較近。該海上風(fēng)電場區(qū)域的測風(fēng)塔位置示意圖如圖3所示，圖中，F(xiàn)J1#測風(fēng)塔測得的整體α平均值為正值，約為0.0387。

圖3 本算例海上風(fēng)電場的測風(fēng)塔分布情況示意圖Fig. 3 Distribution diagram of anemometer tower in this example of offshore wind farm

對FJ1#測風(fēng)塔測得的不同高度處的風(fēng)速數(shù)據(jù)以不同扇區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計，平均風(fēng)速分布結(jié)果如圖4所示。

由圖 4 可知，從 0°～180°扇區(qū)及 315°～360°扇區(qū)方向來風(fēng)時，F(xiàn)J1#測風(fēng)塔測得的風(fēng)速在不同程度上出現(xiàn)了負(fù)切變現(xiàn)象。其中，在90.0°～157.5°扇區(qū)之間，在70～85 m高度層出現(xiàn)了明顯的負(fù)切變現(xiàn)象；在0°～67.5°扇區(qū)之間，在50～70 m高度層出現(xiàn)了輕微的負(fù)切變現(xiàn)象，50 m高度處的平均風(fēng)速與70 m高度處的平均風(fēng)速幾乎相同。

圖4 FJ1#測風(fēng)塔測得的不同高度處不同扇區(qū)的平均風(fēng)速分布情況Fig. 4 Distribution of average wind speed in different sectors at different heights measured by FJ1# anemometer tower

FJ1#測風(fēng)塔測得的風(fēng)速具有代表性的出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象的扇區(qū)的風(fēng)廓線圖如圖5所示。

圖5 FJ1#測風(fēng)塔測得的風(fēng)速出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象的扇區(qū)的風(fēng)廓線圖Fig. 5 Wind profile of sector with negative shear phenomenon in wind speed measured by FJ1# anemometer tower

從圖5可以看出，該近海潮間帶海上風(fēng)電場場區(qū)內(nèi)風(fēng)廓線明顯受到了陸地粗糙度的影響。陸地部分(樹木、森林)的粗糙度為0.8～1.6，海面的粗糙度為0.0002，來流風(fēng)先經(jīng)過陸地再經(jīng)過海面，存在明顯的粗糙度過渡情況。來流風(fēng)從陸地的粗糙地面吹向海面的光滑面時，風(fēng)廓線形狀在近地層部分變大，上高度層風(fēng)速還沒有適應(yīng)新的粗糙度情況，則上高度層的風(fēng)切變指數(shù)比下高度層的小，導(dǎo)致了70～85 m與50～70 m高度層間出現(xiàn)了負(fù)切變現(xiàn)象。風(fēng)速越大，其受下墊面粗糙度的影響也就越大，風(fēng)廓線產(chǎn)生變化的區(qū)域越靠近地面，所以在0°～67.5°扇區(qū)中出現(xiàn)的負(fù)切變現(xiàn)象的中間層高度比在90°～135°扇區(qū)中的低。

3.1.2 粗糙度對風(fēng)電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響

針對粗糙度對風(fēng)電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)在粗糙度存在明顯過渡的情況下，建議分扇區(qū)對風(fēng)速進(jìn)行分析，結(jié)合主風(fēng)向及主風(fēng)頻方向與粗糙度過渡方向的對應(yīng)關(guān)系，考慮是否會出現(xiàn)風(fēng)從粗糙下墊面吹向光滑下墊面而產(chǎn)生負(fù)切變現(xiàn)象，從而進(jìn)行分扇區(qū)風(fēng)切變條件下的風(fēng)電機組輪轂高度的論證分析。

2)選取風(fēng)電機組輪轂高度時，若出現(xiàn)了負(fù)切變現(xiàn)象，則選取的風(fēng)電機組輪轂高度需避開產(chǎn)生負(fù)切變現(xiàn)象的中間層。建議在粗糙度存在明顯變化的區(qū)域建立測風(fēng)塔時，適當(dāng)增加測風(fēng)高度，以探明產(chǎn)生負(fù)切變現(xiàn)象的中間層位置及風(fēng)切變的變化趨勢。

3.2 算例2——復(fù)雜地形對風(fēng)切變的影響

以湖北省某山地風(fēng)電場為例，該項目所在地的海拔高度不高，溫度切變屬于正常變化；風(fēng)電場下墊面以雜草為主，不存在粗糙度突變的情況。但由于該項目地形復(fù)雜，測風(fēng)塔北側(cè)和東北側(cè)、東南側(cè)及西側(cè)均有比該項目所在地海拔更高的山脊，項目所在區(qū)域分布有山脊、溝谷，導(dǎo)致地形對氣流運動的影響較大，因此，本算例主要是基于復(fù)雜地形條件下的測風(fēng)數(shù)據(jù)分析復(fù)雜地形對風(fēng)切變的影響。

3.2.1 風(fēng)電場測風(fēng)塔測得的風(fēng)速數(shù)據(jù)分析

該山地風(fēng)電場位于山地區(qū)域，海拔為200～300 m，區(qū)域地表植被主要為雜草，有少量樹木。該山地風(fēng)電場的測風(fēng)塔位置示意圖如圖6所示，圖中，HB1#、HB2#為測風(fēng)塔編號。

圖6 本算例山地風(fēng)電場的測風(fēng)塔位置示意圖Fig. 6 Location diagram of anemometer towers in this example of mountain wind farm

分析HB1#測風(fēng)塔與HB2#測風(fēng)塔的同期數(shù)據(jù)，對測風(fēng)塔測得的不同高度處的風(fēng)速數(shù)據(jù)分扇區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖7所示。

圖7 HB1#和HB2#測風(fēng)塔測得的各高度處的分扇區(qū)平均風(fēng)速分布圖Fig. 7 Distribution of average wind speed by sector at each height measured by HB1# and HB2# anemometer towers

從圖7中可以看出，HB1#測風(fēng)塔及HB2#測風(fēng)塔所在區(qū)域在70 m及以上高度多層臨近高度之間出現(xiàn)了負(fù)切變現(xiàn)象；尤其從HB2#測風(fēng)塔測得的風(fēng)速曲線來看，在90～100 m高度層近似為等風(fēng)層，然后在100～120 m高度層再次出現(xiàn)比較明顯的負(fù)切變現(xiàn)象。

從圖7還可以看出，HB1#測風(fēng)塔與HB2#測風(fēng)塔測得的風(fēng)速均出現(xiàn)了負(fù)切變現(xiàn)象，出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象的扇區(qū)主要集中在0°～135°扇區(qū)及225.0°～337.5°扇區(qū)，這與周邊山脊區(qū)域的分布方向和高度一致。

HB1#測風(fēng)塔與HB2#測風(fēng)塔測得的風(fēng)速出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象的具有代表性的扇區(qū)的風(fēng)廓線圖如圖8所示。

圖8 HB1#測風(fēng)塔與HB2#測風(fēng)塔測得的風(fēng)速出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象的扇區(qū)的風(fēng)廓線圖Fig. 8 Wind profile of sector with negative shear phenomenon in wind speed measured by HB1# and HB2# anemometer towers

從圖8可以看出，復(fù)雜地形造成的加速效應(yīng)產(chǎn)生了負(fù)切變現(xiàn)象。HB1#測風(fēng)塔與HB2#測風(fēng)塔距離周邊高大的山脊較近，產(chǎn)生負(fù)切變現(xiàn)象的風(fēng)速方向主要在0～135°扇區(qū)，與山脊正交。氣流沿著山脊不斷上升匯集，在山脊頂部區(qū)域加速最大，使貼近山脊的底層的風(fēng)速比其上方高處的風(fēng)速大，從而產(chǎn)生了明顯的負(fù)切變現(xiàn)象。

3.2.2 隆升地形產(chǎn)生的加速效應(yīng)仿真

隆升地形條件下風(fēng)流場的流場特性圖如圖9所示。圖中，X代表水平距離，Z代表離地高度。

圖9 隆升地形條件下風(fēng)流場的流場特性計算結(jié)果Fig. 9 Calculation results of flow field characteristics of wind flow field under hilly terrain

根據(jù)圖9可知，當(dāng)氣流經(jīng)過隆升地形時，在迎風(fēng)面的山腳處由于逆壓梯度，流場邊界層厚度迅速增大，氣流出現(xiàn)較小的減速區(qū)。在迎風(fēng)面，在氣流沿地形上升過程中，氣流受到地形的擠壓而產(chǎn)生加速效應(yīng)，且風(fēng)速隨山坡高度的升高而增大，在山頂處風(fēng)速大、湍流強度小，山頂?shù)牧鲌鲞吔鐚雍穸纫蝻L(fēng)加速作用變小。隨后在背風(fēng)面處，風(fēng)速隨著山坡高度的降低而不斷減小，在背風(fēng)面表面上形成旋渦，并在背風(fēng)面下游處形成一個低速的回流區(qū)，該低速回流區(qū)內(nèi)風(fēng)速小、湍流強度大。

當(dāng)氣流通過山地、丘陵或山脊時，由于受到了地形阻礙的影響，在山的迎風(fēng)面下部，風(fēng)速減弱、氣流上升；在山的頂部和兩側(cè)，氣流線變密，風(fēng)速增大；在山的背風(fēng)面，氣流線呈輻散狀，風(fēng)速減弱，且有下沉氣流，在重力和慣性力的作用下使山脊背風(fēng)面氣流呈現(xiàn)波狀流動。山地地形對風(fēng)速的影響水平距離一般是迎風(fēng)面山高的5～10倍距離，是背風(fēng)面山高的15倍距離。山脊越高，坡度越緩，背風(fēng)面受影響的水平距離越遠(yuǎn)。

背風(fēng)面水平距離X與山高h(yuǎn)與山的平均坡度β之間存在關(guān)系，即：

式中，k為比例常數(shù)。

3.2.3 復(fù)雜地形對風(fēng)電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響

針對復(fù)雜地形對風(fēng)電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)周邊山脊對風(fēng)流場的影響比較顯著，由于遮擋，回流區(qū)現(xiàn)象比較明顯，因此在進(jìn)行風(fēng)電機組點位布置時應(yīng)盡量考慮遠(yuǎn)離山脊背風(fēng)側(cè)。該山地風(fēng)電場場區(qū)的來風(fēng)方向主要集中在正北、正南及周邊方向，南向來風(fēng)未出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象，北向來風(fēng)出現(xiàn)的負(fù)切變現(xiàn)象明顯，所以在對風(fēng)電機組進(jìn)行點位布置時要特別考慮北部山脊對該山地風(fēng)電場場區(qū)的影響。

2)復(fù)雜地形條件下，負(fù)切變現(xiàn)象的出現(xiàn)與地形分布相關(guān)，存在整體呈現(xiàn)為正常切變但局部扇區(qū)呈現(xiàn)負(fù)切變的情形。在復(fù)雜地形條件下，進(jìn)行精細(xì)化風(fēng)資源論證分析時，建議將風(fēng)速分扇區(qū)進(jìn)行分析，從而可以全面了解各扇區(qū)的風(fēng)資源情況特征。

3)鑒于該山地風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)的風(fēng)切變分布規(guī)律，場區(qū)中風(fēng)電機組的輪轂高度的選擇可以根據(jù)不同區(qū)域分別考慮。

4)對于由復(fù)雜地形導(dǎo)致的負(fù)切變現(xiàn)象嚴(yán)重的區(qū)域，可在負(fù)切變出現(xiàn)的扇區(qū)進(jìn)行加密測風(fēng)，以探明負(fù)切變現(xiàn)象的影響范圍，從而指導(dǎo)并確定風(fēng)電機組輪轂高度的選取方案。

3.3 算例3——大氣熱穩(wěn)定性對風(fēng)切變的影響

以東南亞某平原風(fēng)電場為例。該地區(qū)的光照強烈，太陽輻射強；晝夜溫差大且不同季節(jié)溫差大；大氣熱穩(wěn)定性變化大；海拔高度低，屬于海拔37 m以下的濱海平原。風(fēng)電場的下墊面地勢平坦，為沙質(zhì)土壤，種植有松樹，測風(fēng)塔位于海濱陸上區(qū)域的簡單地形區(qū)域，不存在從粗糙下墊面向光滑下墊面過渡的情況，以及因復(fù)雜地形而產(chǎn)生的負(fù)切變現(xiàn)象，此時負(fù)切變現(xiàn)象主要是因大氣熱穩(wěn)定性的影響而產(chǎn)生的。因此，本算例主要分析大氣熱穩(wěn)定性對風(fēng)切變的影響。

3.3.1 風(fēng)電場測風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析

東南亞某平原風(fēng)電場處于約13°N的位置，風(fēng)電場東側(cè)距離海邊約6 km。該平原風(fēng)電場的測風(fēng)塔位置示意圖如圖10所示，圖中，YN1#為測風(fēng)塔編號。

YN1#測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)顯示，其α約為0.311，在78 m高度處的風(fēng)速略低于70 m高度處的風(fēng)速，出現(xiàn)了負(fù)切變的現(xiàn)象。由于該區(qū)域溫差變化隨晝夜、季節(jié)的變化巨大，因此YN1#測風(fēng)塔設(shè)有4 m與76 m雙層高度溫度測量儀，2個高度處的溫差在0～2.6 ℃之間。YN1#測風(fēng)塔在4 m與76 m高度處的溫度均呈現(xiàn)以下2個特征；一個是夏季高、冬季低，季節(jié)溫差約為6～9 ℃；另一個是午間高、夜間低，早晚溫差約為6～8 ℃。

對YN1#測風(fēng)塔測得的不同高度處的風(fēng)速數(shù)據(jù)按照逐月、逐小時分別進(jìn)行統(tǒng)計，具體如圖11所示。

圖11 YN1#測風(fēng)塔測得的各高度處的逐月、逐小時平均風(fēng)速分布圖Fig. 11 Distribution of monthly and hourly average wind speed at each height measured by YN1# anemometer tower

從圖11可以看出，YN1#測風(fēng)塔測得的風(fēng)速出現(xiàn)了負(fù)切變現(xiàn)象。其中，一年之中的負(fù)切變現(xiàn)象主要出現(xiàn)在冬季，一天之中的負(fù)切變現(xiàn)象主要出現(xiàn)在晚上。

大氣的熱穩(wěn)定性變化導(dǎo)致了負(fù)切變現(xiàn)象的產(chǎn)生：白天太陽輻射強，地表溫度高，大氣熱穩(wěn)定性為不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入夜晚時，地面溫度驟降，該風(fēng)電場場區(qū)臨近海洋，上高度層的溫度變化慢，最終導(dǎo)致靠近地面部分的溫度比其上高度層的溫度低，產(chǎn)生了逆溫層。下高度層溫度低，風(fēng)切變指數(shù)大；上高度層溫度低，風(fēng)切變指數(shù)小，因此，中間層部分產(chǎn)生了負(fù)切變現(xiàn)象。

3.3.2 平原風(fēng)電場區(qū)域的大氣熱穩(wěn)定性分析

依據(jù)表2中HOUGHTON[12]提出的大氣熱穩(wěn)定性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，計算該平原風(fēng)電場區(qū)域的逐月、逐小時RiB值，并根據(jù)該值對大氣熱穩(wěn)定性進(jìn)行分類，繪制大氣熱穩(wěn)定性狀態(tài)分布圖，如圖12所示。

圖12 平原風(fēng)電場區(qū)域的逐月、逐小時大氣熱穩(wěn)定性分布圖Fig. 12 Distribution of monthly and hourly atmospheric thermal stability state in plain wind farm

針對該平原風(fēng)電場區(qū)域的大氣熱穩(wěn)定性等級的占比情況，以及不同大氣熱穩(wěn)定性等級下α的平均值進(jìn)行統(tǒng)計，如圖13所示。

從圖13a可知，該平原風(fēng)電場區(qū)域受大氣熱穩(wěn)定性的影響很大，大氣熱穩(wěn)定性為不穩(wěn)定狀態(tài)(包括極不穩(wěn)定A與不穩(wěn)定B)約占40%；大氣熱穩(wěn)定性為中性狀態(tài)（包括較不穩(wěn)定C與中性D)約占19%；大氣熱穩(wěn)定性為穩(wěn)定狀態(tài)(包括較穩(wěn)定E與穩(wěn)定F)約占41%。該平原風(fēng)電場區(qū)域的整體大氣熱穩(wěn)定性狀態(tài)表現(xiàn)為：午間不穩(wěn)定，晚間較穩(wěn)定；夏季不穩(wěn)定，冬季較穩(wěn)定。

圖13 平原風(fēng)電場區(qū)域的大氣熱穩(wěn)定性等級占比及不同大氣熱穩(wěn)定性等級下α的平均值Fig. 13 Proportion of atmospheric thermal stability grades and α mean under different atmospheric thermal stability grades in plain wind farm

從圖13b可知，該平原風(fēng)電場區(qū)域基本呈現(xiàn)大氣熱穩(wěn)定性越穩(wěn)定，α平均值越高的趨勢。當(dāng)大氣熱穩(wěn)定性處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，受到熱浮力的影響，垂直方向風(fēng)速流動加大，水平方向風(fēng)速小，大氣邊界層厚度變大，α平均值減??；當(dāng)大氣熱穩(wěn)定性處于穩(wěn)定狀態(tài)時，垂直方向風(fēng)速流動減小，水平方向風(fēng)速大，大氣邊界層厚度減小，α平均值增大。

3.3.3 大氣熱穩(wěn)定性對風(fēng)電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響

針對大氣熱穩(wěn)定性對風(fēng)電機組的點位布置及其輪轂高度選取的影響進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)對于溫差變化明顯或大氣熱穩(wěn)定性變化明顯的區(qū)域，在對其進(jìn)行風(fēng)資源分析時，需要分時段、分季節(jié)來評估α值的大小，以此來分段進(jìn)行合理地風(fēng)速外推。

2)從測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)來看，YN1#測風(fēng)塔在70～78 m高度區(qū)域出現(xiàn)了負(fù)切變的現(xiàn)象，70 m與78 m高度層之間的平均風(fēng)速相當(dāng)。綜合考慮后，當(dāng)選取低輪轂高度時，選取高70 m左右的輪轂高度即可；當(dāng)選取高輪轂高度時，需要通過分時段、分季節(jié)的α值進(jìn)行合理的高度風(fēng)速外推后，再考慮高輪轂高度的選取值。另外，建議在大氣熱穩(wěn)定性變化明顯的區(qū)域建立測風(fēng)塔時應(yīng)適當(dāng)增加測風(fēng)高度，以探明負(fù)切變的中間層位置及風(fēng)切變的變化趨勢，以便確定技術(shù)經(jīng)濟性最為合理的風(fēng)電機組輪轂高度。

4 結(jié)論

本文分析了風(fēng)電工程中負(fù)切變現(xiàn)象的成因，并分析了粗糙度、復(fù)雜地形和大氣熱穩(wěn)定性對風(fēng)切變產(chǎn)生的影響。在分析負(fù)切變現(xiàn)象時，在粗糙度為影響因素的情況下，需要分扇區(qū)同時結(jié)合主風(fēng)向?qū)y風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并且分析了粗糙度過渡段的風(fēng)廓線的變化情況；在復(fù)雜地形為影響因素的情況下，需要分扇區(qū)分析測風(fēng)塔測得的風(fēng)速數(shù)據(jù)，并提出了地形對風(fēng)速的加速效應(yīng)，以及隆升地形會在背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生回流區(qū)，造成風(fēng)速減小、湍流增大的情況；在大氣熱穩(wěn)定性為影響因素的情況下，需要分時間、分季節(jié)對測風(fēng)塔測得的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并采用總體理查森數(shù)判定方法對該區(qū)域的大氣熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分類，然后分析了該區(qū)域風(fēng)切變指數(shù)的變化情況。在得出以上結(jié)論的基礎(chǔ)上，提出了在粗糙度、復(fù)雜地形、大氣熱穩(wěn)定性這3種影響因素下產(chǎn)生負(fù)切變現(xiàn)象時，應(yīng)如何進(jìn)行合理的風(fēng)電機組點位布置及其輪轂高度的選取，實現(xiàn)了更加精細(xì)的風(fēng)資源評估。最后歸納了實際風(fēng)電工程中常見典型負(fù)切變現(xiàn)象，提出了合理的風(fēng)切變特性分析方法，為今后的風(fēng)電工程應(yīng)用提供了典型范例。