貴州中西部風(fēng)與風(fēng)功率季節(jié)特征分析

劉 濤，夏曉玲，曾莉萍*，吳昌航，萬 超，莫仕燈

（1.貴州省人工影響天氣辦公室，貴陽 550081；2.貴州省氣象服務(wù)中心，貴陽 550081；3.貴州省氣象臺，貴陽 550081；4.貴州省氣象信息中心，貴陽 550081）

2022年4月19日，貴州省能源局、省發(fā)改委印發(fā)《貴州省新能源和可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》），《規(guī)劃》提出積極推廣應(yīng)用適合貴州省地理氣候的風(fēng)電裝備，選用適合貴州省低風(fēng)速、高海拔、冬季多凝凍特點(diǎn)的風(fēng)機(jī)機(jī)組穩(wěn)步推進(jìn)風(fēng)電協(xié)調(diào)發(fā)展。大力推進(jìn)集中式風(fēng)電開發(fā)，鼓勵分散式風(fēng)電開發(fā)建設(shè)和風(fēng)光互補(bǔ)項(xiàng)目建設(shè)，在落實(shí)好環(huán)境保護(hù)、水土保持和植被恢復(fù)等措施的基礎(chǔ)上，鼓勵采用先進(jìn)技術(shù)因地制宜建設(shè)低風(fēng)速風(fēng)電場[1-2]。

貴州省地處云貴高原東部，山地居多，地形復(fù)雜破碎，地勢西高東低，氣象要素在復(fù)雜的地形下分布不均，風(fēng)能資源受小地形的影響更為明顯，因此貴州省風(fēng)能資源匱乏，但局部地區(qū)擁有較好的風(fēng)資源，根據(jù)《貴州省風(fēng)能資源詳查和評估報告》成果，基于風(fēng)能資源長期數(shù)值模擬及GIS 空間分析，貴州風(fēng)能資源西部好于東部，中部好于南部及北部，但高值區(qū)分布相對零散，分布復(fù)雜。貴州風(fēng)能資源較豐富的區(qū)域主要分布于畢節(jié)市西部、南部及中北部，六盤水市中部及南部，遵義市中北部，貴陽市中部，黔東南州中東部局部，榕江縣與荔波交界地帶等區(qū)域，黔南州北部、黔西南州中部局部、銅仁市局部。風(fēng)能資源評估的主要評估參數(shù)有風(fēng)能和風(fēng)能密度、風(fēng)能利用小時數(shù)等[3]。

風(fēng)資源評估時通常把空氣按照干空氣進(jìn)行計(jì)算，但是對于[4-6]內(nèi)陸地區(qū)及高海拔地區(qū)，空氣密度與標(biāo)準(zhǔn)空氣密度相差較大，需要考慮空氣密度的影響。貴州特有的高原山區(qū)氣象性能決定了風(fēng)能有著海拔高、濕度大等特點(diǎn)。貴州百草坪風(fēng)電場實(shí)際濕空氣絕對空氣密度比干空氣絕對空氣密度大0.6%左右，實(shí)際濕空氣相對空氣密度比干空氣相對空氣密度大0.7%左右[7]。因此風(fēng)資源評估應(yīng)考慮濕度和空氣密度的影響。此外，貴州地區(qū)風(fēng)電場高海拔，地形復(fù)雜，計(jì)算理論發(fā)電量時需要根據(jù)場內(nèi)設(shè)立測風(fēng)塔的位置和數(shù)量分區(qū)計(jì)算，然后累加得到整個風(fēng)場的上網(wǎng)電量[8]。

貴州省對風(fēng)能資源的勘察[9]、局地風(fēng)能資源的評估[10]、山區(qū)風(fēng)速數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[11]、空氣密度的算法[12]以及個別風(fēng)電場的出力特征分析[13]均有研究。但對于多個風(fēng)電場的功率和風(fēng)速的特征對比分析研究較少，因此本文選取了貴州省中西部9 個試點(diǎn)風(fēng)電場風(fēng)功率和風(fēng)速資料分析其特征，為并網(wǎng)發(fā)電調(diào)度指揮提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文首先共收集到貴州省范圍內(nèi)55 家風(fēng)電場2020 年1 月—2021 年5 月的逐15 min 風(fēng)速和功率數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)的缺失程度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同電站的數(shù)據(jù)缺失程度不同，因此首先進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和清洗，最終在55 家風(fēng)電場數(shù)據(jù)中選取了2020 年1 月—2021 年5月時段內(nèi)資料完整度超過85%的貴州省中西部9 個試點(diǎn)風(fēng)電場風(fēng)功率和風(fēng)速資料，以及臨近國家氣象站的地面溫度資料。選取的試點(diǎn)風(fēng)電場分布在畢節(jié)市、六盤水市、黔西南州、安順市和黔南州5 個市州，威寧、織金、水城、盤州、晴隆、關(guān)嶺、龍里和惠水8 個縣，如圖1 所示。選取的資料總計(jì)437 767 個數(shù)據(jù)，其中風(fēng)功率小于0 的數(shù)據(jù)為39 014 個，占比8.9%，分析時采取剔除處理。

圖1 貴州省中西部9 個試點(diǎn)風(fēng)電場分布圖

1.2 風(fēng)功率密度

風(fēng)功率密度是氣流在單位時間內(nèi)垂直通過單位截面積的風(fēng)能。其時段內(nèi)平均值為[14]

式中：ω 為設(shè)定時段內(nèi)的平均風(fēng)功率密度，W/m2；n為在設(shè)定時段內(nèi)的記錄個數(shù)；ρ 為空氣密度，kg/m3為第i記錄的風(fēng)速值的立方。

空氣密度的值取決于溫度和海拔高度，即

式中：T為空氣溫度，K；z為風(fēng)電場的海拔高度。

2 平均風(fēng)功率密度季節(jié)特征

本文采用氣象上的四季定義，即春季為3—5 月，夏季為6—8 月，秋季為9—11 月，冬季為12—次年2月，后文相同。風(fēng)功率密度可以有效表示風(fēng)電場的平均風(fēng)能資源情況，采用貴州中西部9 個風(fēng)電場海拔高度、2020 年風(fēng)速資料以及臨近國家站空氣溫度資料，利用式（1）、式（2）計(jì)算9 個風(fēng)電場2020 年4 個季節(jié)的平均風(fēng)功率密度（圖2）可知，除了位于黔南州的龍里和龍?zhí)辽? 個風(fēng)電場是夏季平均風(fēng)功率密度略大于春季，其余7 個風(fēng)電場的季節(jié)平均風(fēng)功率密度基本上均呈現(xiàn)出春季最大，夏秋次之，冬季最小的趨勢。季節(jié)平均風(fēng)功率密度的最大值出現(xiàn)在春季的馬擺大山風(fēng)電場，為182.87 W/m2；季節(jié)平均風(fēng)功率密度的最小值出現(xiàn)在冬季大韭菜坪風(fēng)電場，為25.08 W/m2。其中季節(jié)平均風(fēng)功率密度超過90 W/m2的風(fēng)電場個數(shù)分別為春季6 個，夏季4 個，秋季4 個，冬季3 個。對于蘇家屯、馬擺大山、麻窩山3 個風(fēng)電場而言，春季風(fēng)能的開發(fā)潛力更大。

圖2 9 個試點(diǎn)風(fēng)電場2020 年四季風(fēng)功率密度分布

3 風(fēng)和風(fēng)功率季節(jié)月變化特征

對2020 年1 月—2021 年5 月9 個試點(diǎn)風(fēng)電場的風(fēng)功率資料先求日累計(jì)值，再取月平均值，風(fēng)速資料直接取平均值，得到季節(jié)月變化分析如圖3 所示。

圖3 貴州省中西部9 個試點(diǎn)風(fēng)電場風(fēng)和風(fēng)功率月變化

由圖3 可知，各風(fēng)電場月平均風(fēng)功率變化區(qū)間在100~9 000 MW，龍里和馬擺大山風(fēng)電場的月平均風(fēng)功率最大，極值在8 000 MW 左右，麻窩山風(fēng)電場次之，極值接近3500MW，大韭菜坪電場最小，極值約800MW，其余5 個風(fēng)電場的月平均風(fēng)功率極值較為接近，處于1 200~1 600 MW 之間。各風(fēng)電場月平均風(fēng)速變化區(qū)間在2.7~7.5 m/s，蘇家屯、麻窩山、馬擺大山和龍里的月平均風(fēng)速極值在7.0~7.5 m/s 之間，其余5 個風(fēng)電場的月平均風(fēng)速極值略小，處于4.2~5.8 m/s 之間。除蘇家屯、馬擺大山和龍里3 個風(fēng)電場外，其余6 個風(fēng)電場四季的風(fēng)和風(fēng)功率變化比較吻合，存在三峰分布。整體而言，9 個風(fēng)電場的風(fēng)速和風(fēng)功率基本在秋、夏兩季最大，冬季最小。春季的風(fēng)速和風(fēng)功率均是先減小再增加，變化趨勢呈“V”字型；夏季的風(fēng)速和風(fēng)功率均是先增加再減小，變化趨勢呈“^”型；秋季的風(fēng)速和風(fēng)功率先小幅減小再大幅上升，變化趨勢呈“√”型；冬季的風(fēng)速先大幅增加再小幅減少，風(fēng)功率則是一直增加，兩者整體變化趨勢呈“/”型。

4 風(fēng)和風(fēng)功率季節(jié)日變化特征

2020 年1 月—2021 年5 月9 個試點(diǎn)風(fēng)電場的風(fēng)功率資料取小時累計(jì)平均值，風(fēng)速資料取平均值，并以季節(jié)分類，當(dāng)功率值為負(fù)時，則該時刻的功率值取0，風(fēng)速取空值，得到日變化分析如圖4 所示（9 個風(fēng)電場風(fēng)和風(fēng)功率季節(jié)日變化趨勢一致，因此以龍?zhí)辽斤L(fēng)電場為例）。

圖4 龍?zhí)辽斤L(fēng)電場風(fēng)和風(fēng)功率季節(jié)日變化

可以看出，9 個風(fēng)電場小時累計(jì)平均風(fēng)功率變化區(qū)間在10~325 MW 之間，小時平均風(fēng)速變化區(qū)間在2.4~8 m/s，小時累計(jì)平均風(fēng)功率變化區(qū)間和小時平均風(fēng)速變化區(qū)間上，由大到小大多依次是夏季、春季、秋季和冬季。4 個季節(jié)小時平均風(fēng)速和小時累計(jì)平均風(fēng)功率在變化趨勢上一致，早晚的小時平均風(fēng)速和小時累計(jì)平均風(fēng)功率最大，中午的小時平均風(fēng)速和小時累計(jì)平均風(fēng)功率最小，均呈現(xiàn)明顯的“V”字型。

5 風(fēng)和風(fēng)功率季節(jié)小時變化特征

以曹羅坪子風(fēng)電場為例，日累計(jì)風(fēng)功率變化區(qū)間在0~4 000 MW，日平均風(fēng)速變化區(qū)間在3~9 m/s，且4個季度的日累計(jì)風(fēng)功率變化區(qū)間和日平均風(fēng)速變化區(qū)間相差不大。日累計(jì)風(fēng)速、日平均風(fēng)功率的季節(jié)變化趨勢和逐月平均風(fēng)速、風(fēng)功率的季節(jié)變化趨勢一致。4 個季節(jié)日平均風(fēng)速和日累計(jì)風(fēng)功率在變化趨勢上一致，春季的風(fēng)速和風(fēng)功率均是先減小再增加，變化趨勢呈“V”字型；夏季的風(fēng)速和風(fēng)功率均是先增加再減小，變化趨勢呈“^”型；秋季的風(fēng)速和風(fēng)功率先小幅減小再大幅上升，變化趨勢呈“√”型；冬季的風(fēng)速先大幅增加再小幅減少，風(fēng)功率則是一直增加，兩者整體變化趨勢呈“/”型。冬季12 月、次年1 月均存在風(fēng)功率為負(fù)值的情況（圖略）。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目選取了資料完整度超過85%的2020 年1月—2021 年5 月貴州省中西部9 個試點(diǎn)風(fēng)電場風(fēng)功率和風(fēng)速資料及鄰近國家氣象站地面空氣溫度資料，開展風(fēng)和風(fēng)功率不同季節(jié)不同時段特征分型分析研究，得到結(jié)論如下。

第一，9 個風(fēng)電場的平均風(fēng)功率密度春季最大，夏秋次之，冬季最小。對于蘇家屯、馬擺大山、麻窩山3 個風(fēng)電場而言，春季的風(fēng)能的開發(fā)潛力更大。

第二，整體上，風(fēng)速和風(fēng)功率的變化趨勢相一致，呈正相關(guān)。季節(jié)月平均數(shù)據(jù)與不同季節(jié)逐小時數(shù)據(jù)結(jié)果相同，春季的風(fēng)速和風(fēng)功率均是先減小再增加，變化趨勢呈“V”字型；夏季的風(fēng)速和風(fēng)功率均是先增加再減小，變化趨勢呈“^”型；秋季的風(fēng)速和風(fēng)功率先小幅減小再大幅上升，變化趨勢呈“√”型；冬季的風(fēng)速先大幅增加再小幅減少，風(fēng)功率則是一直增加，兩者整體變化趨勢呈“/”型。

第三，9 個風(fēng)電場四季日變化特征相同，均呈現(xiàn)明顯的“V”型，表明早、晚風(fēng)功率輸出大，中午最小。