吐魯番地區(qū)典型風(fēng)能特性分析

王穩(wěn)穩(wěn)，胡仁祥，馬 瑞，魏智慧，王小杰

（國網(wǎng)吐魯番供電公司，新疆 吐魯番 838000）

0 引言

“十四五”期間，風(fēng)能作為新能源的典型代表，將會迎來廣闊的市場前景。由于風(fēng)能發(fā)電具有可再生、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)勢在必行。但由于風(fēng)能的波動性、隨機(jī)性、間歇性、地域性及季節(jié)性，使得風(fēng)電出力具有波動性，會對電網(wǎng)造成較大沖擊，增加了電網(wǎng)的不穩(wěn)定性，所以對風(fēng)能特性的研究至關(guān)重要[1-7]。

吐魯番市擁有豐富的風(fēng)能資源，主要分布在三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)，有“陸地風(fēng)庫”之稱。到2021年12 月，該地區(qū)新能源裝機(jī)超過3000 MW，2021 年風(fēng)電發(fā)電量36.98億kWh，“十四五”期間，預(yù)計新增風(fēng)電裝機(jī)容量801 MW。本文通過風(fēng)機(jī)測風(fēng)塔70 m高度2021 年觀測數(shù)據(jù)，對比兩風(fēng)區(qū)的平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度、典型日負(fù)荷、風(fēng)速風(fēng)向概率分布等風(fēng)能參數(shù)，分析吐魯番典型的風(fēng)能特性，為風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)、電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行有提供參考。

1 測風(fēng)數(shù)據(jù)處理

本文數(shù)據(jù)主要來源于70 m測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，為確保數(shù)據(jù)的代表性、準(zhǔn)確性和完整性，依據(jù)GB/T 18710—2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估辦法》，對測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗處理，所測量數(shù)據(jù)的完整率應(yīng)高于采集次數(shù)的95%[8-9]。根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司Q/GDW 12054—2020《風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)資源數(shù)據(jù)審核與整定辦法》，對所測數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行檢測，各測量數(shù)據(jù)的合理范圍如表1所示[10]。

表1 各測量數(shù)據(jù)的合理范圍Tab.1 Reasonable range of each measured data

2 平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度

三十里風(fēng)區(qū)以GW66/1500 型風(fēng)機(jī)為研究對象，風(fēng)機(jī)葉輪直徑為66 m，掃風(fēng)面積為3421 m2，測風(fēng)塔高度為65 m；百里風(fēng)區(qū)以GW109/1500 型風(fēng)機(jī)為研究對象，風(fēng)機(jī)葉輪直徑109 m，掃風(fēng)面積9331 m2，測風(fēng)塔高度為70 m。

2.1 平均風(fēng)速

平均風(fēng)速即給定時間內(nèi)瞬時風(fēng)速的平均值，其計算公式如式（1）所示：

式中：v為平均風(fēng)速；vi為第i次記錄的某一時刻的瞬時風(fēng)速；n為在該段時間內(nèi)的記錄次數(shù)。

三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)在2021 年平均風(fēng)速的變化特征如圖1 所示。由圖1 可知，2021 年不同風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速均呈現(xiàn)倒V形分布，3—10月風(fēng)速較大；同一時刻，三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)速大于百里風(fēng)區(qū)，且三十里風(fēng)區(qū)6 月風(fēng)速達(dá)到最大值，百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速5 月達(dá)到最大值。

圖1 2021年不同風(fēng)區(qū)平均風(fēng)速分布圖Fig.1 Average wind speed distribution in different wind areas in 2021

選擇與該區(qū)間內(nèi)平均風(fēng)速曲線標(biāo)準(zhǔn)方差最小的一日作為典型日，風(fēng)季以6 月20 日為典型日，枯風(fēng)季以2 月15 日為典型日。三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)在風(fēng)季和枯風(fēng)季典型日平均風(fēng)速的變化特征如圖2所示。圖2（a）為測風(fēng)塔高度為70 m時，2021年6 月20 日平均風(fēng)速分布圖，圖中兩風(fēng)區(qū)在00：00—14：00 波動較小，14：00 風(fēng)速最小，三十里風(fēng)區(qū)從16：00 開始急劇上升，23：00 達(dá)到最大值，而百里風(fēng)區(qū)從14：00開始持續(xù)上升直至24：00，較三十里風(fēng)區(qū)增長幅度較小。

圖2 典型日平均風(fēng)速分布圖Fig.2 Distribution of typical daily average wind speed

圖2（b）為測風(fēng)塔高度為70 m時，2021年2月15日平均風(fēng)速分布圖，三十里風(fēng)區(qū)波動較大，16：00達(dá)到最大值，21：00 達(dá)到最小值；百里風(fēng)區(qū)波動較小，10：00 和22：00 為風(fēng)速的最低時刻，最高值出現(xiàn)在05：00和15：00左右。

2.2 風(fēng)功率密度

風(fēng)功率密度即與風(fēng)向垂直的單位面積中風(fēng)所具有的功率，為了提高準(zhǔn)確性，本文采用給定時段的平均風(fēng)功率密度，用于衡量三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)風(fēng)能的大小，風(fēng)功率密度公式如式（2）所示[11-12]：

式中：w為風(fēng)功率密度，W/m2；ρ為空氣密度，kg/m3。當(dāng)h＜11 000 m時，ρ=p/[0.286 9×（T+273.1）]，p為壓強(qiáng)，kPa；T為溫度，℃；h為風(fēng)區(qū)海拔高度，m。

圖3 為2021 年不同風(fēng)區(qū)月風(fēng)功率密度分布圖，風(fēng)功率密度的變化趨勢與風(fēng)速的變化趨勢基本一致，先增大后減小，呈現(xiàn)倒V形。三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)功率密度明顯大于百里風(fēng)區(qū)，特別是3—10 月，6 月三十里風(fēng)區(qū)風(fēng)功率密度達(dá)到最大值，5 月百里風(fēng)區(qū)風(fēng)功率密度達(dá)到最大值。

圖3 2021年不同風(fēng)區(qū)風(fēng)功率密度分布圖Fig.3 Wind power density distribution of different wind areas in 2021

圖4（a）為三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)在風(fēng)季典型日的風(fēng)功率密度，由圖4（a）可知，在同一時刻，三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)功率密度值遠(yuǎn)大于百里風(fēng)區(qū)，且三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)速變化幅度較大，特別是在00：00—15：00顯現(xiàn)先急速下降再急速上升的趨勢，而百里風(fēng)區(qū)在00：00—15：00 曲線變化平緩，波動較小，而在15：00—24：00急劇增長，說明吐魯番市風(fēng)能分布特性為白天風(fēng)能較小，夜間風(fēng)能較大[13-18]。

圖4（b）為三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)在枯風(fēng)季典型日的風(fēng)功率密度。由圖4（b）可知，三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)功率密度大于三十里風(fēng)區(qū)，且三十里風(fēng)區(qū)曲線波動性較大，特別是在14：00—19：00，在16：00達(dá)到最大值；而百里風(fēng)區(qū)在時間段內(nèi)波動較小。

圖4 典型日風(fēng)功率密度分布圖Fig.4 Distribution of typical daily wind power density

3 風(fēng)速、風(fēng)功率密度與負(fù)荷曲線

圖5 為三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)2021 年風(fēng)速、風(fēng)功率密度與典型負(fù)荷日曲線。三十里風(fēng)區(qū)數(shù)據(jù)來源于小草湖風(fēng)電廠GW66/1500型的單臺風(fēng)機(jī)，負(fù)荷為0～1 MW；百里風(fēng)區(qū)數(shù)據(jù)來源于大唐鄯善東風(fēng)電廠GW109/1500型單臺風(fēng)機(jī)，負(fù)荷為0～0.8 MW，均屬于調(diào)度機(jī)構(gòu)統(tǒng)一調(diào)度負(fù)荷。由圖5 可知，兩個風(fēng)區(qū)風(fēng)速、風(fēng)功率密度與典型負(fù)荷日曲線變化趨勢基本一致，均呈倒V形分布，三十里風(fēng)區(qū)在夏季5月份出現(xiàn)高峰期，而百里風(fēng)區(qū)在夏季6月份出現(xiàn)高峰期，且百里風(fēng)區(qū)的典型日負(fù)荷遠(yuǎn)大于三十里風(fēng)區(qū)[19-22]。

圖5 三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)2021年風(fēng)速、風(fēng)功率密度與典型負(fù)荷日曲線圖Fig.5 Wind speed,wind power density and typical daily load curves in 2021 for thirty?mile and hundred?mile wind areas

圖6 為三十里風(fēng)區(qū)風(fēng)速、風(fēng)功率密度與典型負(fù)荷日曲線圖，可以看出，風(fēng)季日最低負(fù)荷出現(xiàn)在14：00，日最高負(fù)荷出現(xiàn)在19：00，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時，負(fù)荷不再隨風(fēng)速上升而是逐漸下降；枯風(fēng)季該日負(fù)荷曲線近似于M形分布，在04：00和17：00相繼達(dá)到峰值，但在17：00日負(fù)荷最大。

圖6 三十里風(fēng)區(qū)風(fēng)季和枯風(fēng)季風(fēng)速、風(fēng)功率密度與典型負(fù)荷日曲線圖Fig.6 Wind speed,wind power density and typical daily load curves in windy season and dry season in thirty?mile wind area

圖7 為百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速、風(fēng)功率密度與典型負(fù)荷日曲線圖，可以看出，風(fēng)季06：00—14：00 日負(fù)荷出現(xiàn)日最低負(fù)荷，14：00—16：00 負(fù)荷急劇升高，16：00—20：00緩慢上升，20：00之后保持不變；枯風(fēng)季日負(fù)荷曲線在08：00 出現(xiàn)最大值，08：00—11：00持續(xù)下降，近似為0，11：00—24：00出現(xiàn)幅度較大的波動，24：00對應(yīng)負(fù)荷約為0.15 MW。

圖7 百里風(fēng)區(qū)風(fēng)季和枯風(fēng)季風(fēng)速、風(fēng)功率密度與典型負(fù)荷日曲線圖Fig.7 Curves of wind speed,wind power density and typical load day in windy season and dry season in hundred?mile wind area

圖8為三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)風(fēng)季及枯風(fēng)季典型負(fù)荷日曲線圖，可以看出，在風(fēng)季典型日三十里風(fēng)區(qū)的最低負(fù)荷一般出現(xiàn)在14：00—16：00，持續(xù)時間較短，而百里風(fēng)區(qū)的最低負(fù)荷一般出現(xiàn)在06：00—14：00，持續(xù)時間較長，且三十里風(fēng)區(qū)的日負(fù)荷遠(yuǎn)大于百里風(fēng)區(qū)，因為三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)速大于百里風(fēng)區(qū)，且三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)風(fēng)機(jī)的額定功率均為1500 kW，所以在達(dá)到飽和前，三十里風(fēng)區(qū)的負(fù)荷會大于百里風(fēng)區(qū)；枯風(fēng)季三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)的負(fù)荷近似，因為在枯風(fēng)季兩大風(fēng)區(qū)的風(fēng)速均很小，相差不大，且所研究風(fēng)機(jī)的額定功率均為1500 kW。

圖8 三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)風(fēng)季及枯風(fēng)季典型負(fù)荷日曲線圖Fig.8 Comparative analysis of typical daily load curves in windy season and dry season in thirty?mile and hundred?mile wind areas

綜上所述，風(fēng)速、風(fēng)功率密度與典型日負(fù)荷曲線變化趨勢基本一致；吐魯番風(fēng)力資源五、六月份最為豐富；風(fēng)季和枯風(fēng)季的最高日負(fù)荷和最低日負(fù)荷出現(xiàn)的時間段存在偏差；在風(fēng)季百里風(fēng)區(qū)的日負(fù)荷大于三十里風(fēng)區(qū)，而枯風(fēng)季與則相反。

4 風(fēng)速概率分布與盛行風(fēng)向

圖9 為2021 年三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速概率分布圖。由圖9（a）可知，三十里風(fēng)區(qū)風(fēng)速在16～18 m/s 出現(xiàn)的概率最大，約32%；其次為14～16 m/s，概率為24%；風(fēng)速超過18m/s的概率大約為20%；而風(fēng)速在0～8 m/s出現(xiàn)的概率很小，近似為0。相比三十里風(fēng)區(qū)，百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速在2～4 m/s 出現(xiàn)的概率最大，約36%；其次為10～12 m/s，概率為10%；而風(fēng)速超過18 m/s出現(xiàn)的概率近似為0（如圖9（b））。由此可見，三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)速大于百里風(fēng)區(qū)，三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)能資源更為豐富。

圖9 2021年三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速概率分布圖Fig.9 Probability distribution diagram of wind speed in thirty?mile and hundred?mile wind areas in 2021

圖10 為2021 年三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖，在不同的風(fēng)速區(qū)間，盛行風(fēng)向不盡相同。由圖10（a）可知，三十里風(fēng)區(qū)盛行風(fēng)向為北風(fēng)和西北風(fēng)，當(dāng)風(fēng)速小于3 m/s時，風(fēng)向以北風(fēng)為主，而當(dāng)風(fēng)速大于12 m/s時，風(fēng)向以西北風(fēng)為主，當(dāng)風(fēng)速在3～6 m/s可能會出現(xiàn)少量的南風(fēng)和東南偏南風(fēng)；由圖10（b）可知，百里風(fēng)區(qū)盛行風(fēng)向為西北風(fēng)和西北偏北風(fēng)，當(dāng)風(fēng)速大于8 m/s 時，風(fēng)向以風(fēng)向為西北風(fēng)和西北偏北風(fēng)為主，出現(xiàn)其他風(fēng)向的概率較低。當(dāng)風(fēng)速較小時出現(xiàn)各個風(fēng)向均有可能。由此可見，三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)的風(fēng)能特性差異較大，具有不同的地域特色。

圖10 2021年三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖Fig.10 Rose diagram of wind speed and direction for thirty?mile and hundred?mile wind areas in 2021

5 結(jié)束語

通過以上分析可以看出，吐魯番地區(qū)不論風(fēng)季還是干風(fēng)季，平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度及典型負(fù)荷日曲線變化趨勢一致，呈現(xiàn)倒V形分布；典型風(fēng)區(qū)的風(fēng)速概率分布和盛行風(fēng)向存在較大差異，極具地域特色，適合用于區(qū)域風(fēng)能資源的評估。本文研究結(jié)果可為吐魯番地區(qū)風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展及風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的探討提供一定的參考價值。