风电场不同高度的50年一遇最大和极大风速估算

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1、风电场不同高度的 50 年一遇最大和极大风速估算呼津华 王相明(新疆金风科技股份有限公司, 乌鲁木齐 830026)摘 要风电场 50 年一遇最大和极大风速是决定风电机组极限载荷的关键指标, 也是风电项目开发中机组选型和经济评估的关键指标之一。该文重点从气象学角度, 结合我国风电项目开发的实际情况, 提出 5 d 最大 10 min 平均风速取样法, 用 型极值概率分布来估算风电场不同高度 50 年一遇最大风速; 以附近气象站长期的历年最大风速及与风电项目内测风塔同期的逐日最大风速资料, 修正所得结果。再以实测到的大风速段的最大阵风系数, 推算风电场不同高度 50 年一遇的极大风速。并利用内蒙

2、古巴彦淖尔市乌兰伊力更风电场 300 MW 项目 1 年的实测风资料及内蒙古乌拉特中旗气象站的测风资料, 估算乌兰伊力更风电场内不同高度上 50年一遇的最大和极大风速。关键词: 风电场; 最大风速; 极大风速; 型极值概率分布; 风电机组; 风资源引 言我国自 2003 年开始风电特许权项目以来, 以规 模化带动产业化发展, 风电行业在短短的几年时间里有了迅猛的增长, 到 2006 年年底我国除台湾省外已开发了 91 个风电场, 风电机组总装机容量近 260 104kW。随着投资、 开发和制造主体的多元化和国际化, 我国风电事业的发展面临着空前的机遇, 也有许多急待解决的基础理论问题。风电场不

3、同高度50 年一遇最大和极大风速的估算, 就是其中的一个 现实基础问题。由于发展的历史性, 我国有长期资料的气象观测站点相对较少, 取得资料不够统一、 详细; 气象站 普遍距离拟开发的风电场较远, 且二者的地形地貌差别较大。而风电项目建设必须考虑经济性, 风电场内测风时间不能太长, 又客观地要求对当地风资源做出详尽的分析和评估。 根据国际风电机组设计标准 1规定, 50 年一遇最大和极大风速是决定风电机组极限载荷的关键指标, 也是风电项目开发中机组选型和经济评估的关键指标之一。 现在我国风电项目开发中, 多用5全国风能资源评价技术规定6 2中的 型极值概率分布方法, 估算有长期资料的气象站 1

4、0 m 高度 50 年一遇最大风速; 以气象站和风电场风速的相关性, 估算出风电场内不同高度 50 年一遇最大风速; 然后以通常的统计平均阵风系数 1. 4, 推算风电场内不同高度 50 年一遇的极大风速。这种方法的问题是, 两地风速的相 关性、 风电场内不同高度风速的相关性都是随风速的增大而变化的, 不能简单以年平均风速的相关系数来替代, 并且在不同的地区区域内, 阵风系数也随 风速变化而有不同的变化。在参考国内外已经较成熟的极值估算方法的基础上 3 -4, 本文从气象学角度, 提出 5 d 最大 10 min平均风速取样法, 用 型极值概率分布来估算风电 场不同高度的 50 年一遇最大风速

5、; 并以附近气象站长期的历年最大风速及与风电项目内测风塔同期的逐日最大风速资料, 对结果进行修正。以实测到的 大风速段内的最大阵风系数, 推算风电场不同高度50 年一遇的极大风速。1 5 d 最大 10 min 平均风速取样和 50 年一 遇最大风速估算目前在风电项目开发中, 主要以10 min 平均风速和 10 min 期间的 3 s 极值风速记录实测风速; 50 年一遇最大风速通常指10 min平均风速, 50 年一遇极大风速通常指 3 s 平均风速。如何从实测的风速母体中选取适合的子样, 用于估算 50 年一遇最大风2008 -04 -08 收到, 2008 -07 -16 收到再改稿。

6、第 20卷 1 期 2009 年 2 月应 用 气 象 学 报 JOU RNAL OF APPLIED M ET EOROLOGICAL SCIENCEVol. 20, No. 1 February 2009速, 是决定估算结果可信度重要一步。理论上的取样方法, 一方面要能包含尽可能多的最大风速信息, 另一方面要排除影响最大风速主要信息的无效或干扰样本。1. 1 主要的极值取样法在极值理论中, 从母体风速序列中选取极值子 体的方法主要有等时段法和跨阈法两种。5全国风能资源评价技术规定6中, 取历年最大风速资料为样本, 采用极值型概率分布, 用改进的矩法估算分布函数的参数, 进而估算出 50 年

7、一遇的 最大风速。这种方法在国际上用得较多, 英、 美、 加、日等国的估算方法与其基本相一致 5 -6, 在统计学、天气学上逻辑合理, 大量实践表明这是一种可信赖 的方法。但常常因所能获得的样本容量太小, 而影响其准确性和可靠性。在广义跨阈法 7中, 取风速大于某一极限的样本。这种取样法在机械、 电子设计中, 已经取得成 功。但在用于最大风速估算时, 风速极限阈值难以确定; 各样本在时间分布上差别较大; 一年内风速大于某一极限的样本数有变化; 在季风气候区, 一年内 风速大于某一极限值的风速, 可能会集中出现在某一两个季节内。Rijkoort -Weibull 分布法 8中, 阈的初始值取风速

8、大于 2 m/ s 的样本, 然后分析风暴尺度并将风暴 尺度外推, 再取更大的阈值来选取样本。这种取样法从 2 m/ s 开始迭代, 能有效减少低风速对极值风速信息干扰, 也适合计算机处理资料特点, 在一些国 家中已推广应用。从气象学角度来看, 风暴尺度外推过程中阈值选取较困难, 阈值偏小不能排除影响天气系统信号的无效样本, 而阈值偏大又会过滤掉有价值的天气系统信号, 且一年中风速大于阈值的 概率同样会有变化。另外, 还有月最大风速、 日最大风速、 60 次或 18次观测中的最大风速等取样法, 其普遍不足是不能很好反映当地天气系统变化的信息。 1. 2 5 d最大 10 min 平均风速取样法

9、我国风电场风资源评价要求有连续 1 年的场内实测风数据, 对此测风序列选取各实测高度上的5 d 最大 10 min 平均风速样本, 用于估算风电场不同高度上 50 年一遇的最大风速, 简便易行。在我国传统历法和物候中是以 5 d 为/ 候0, 这种候的概念反映了我国主要的物候变化规律。以 5 d最大 10 min 平均风速取样, 可简单、 完整地在 1年的实测风速数据中取样, 也易于将估算期间整数化( 如 50 年为 3650 个 5 d) , 便于计算。 由自然风平均功率谱密度 PERIOD 模型 9可知, 自然风能量分布有年、 4 5 d, 1 d, 1 min 4 种主峰和 1 h 的低

10、谷, 其中低频能量以 4 5 d 为周 期, 符合实际大气系统的移动周期; 高频能量以1 min为周期, 正是实际脉动风周期, 并且高频谱峰能量取决于平均风速。 在求取平均风速或考察风资源总体状况时, 取10 min 时距 10是在风功率谱密度较小的周期, 这符 合人们的习惯思维, 也在实践中取得了良好效果。但当考察最大风速的变化时, 应选取风功率谱密度最大的周期, 会更合理、 可靠。由罗斯贝波理论和自然天气周期概念, 天气系 统对一地的影响大约有 7 10 d 的变化周期, 但在不同的气候区域, 又不尽相同。考虑到中小尺度天 气系统的影响, 并且一次天气过程中可能会出现两个风速较大的时段,

11、以 5 d 最大 10 min 平均风速取样, 既能较全面地反映出较大风速的变化, 也在一定 程度上能屏蔽掉无效的或有干扰的样本。当风速增大时, 一地的垂直风切变会明显减小。据一些已开发建设的风电项目中实测风资料的统计分析, 在 30 m 高度以上, 当风速大于 22 m/ s 时垂直 风切变会很小, 并且多次出现 50 m 或 60 m 高度以上的负垂直风切变。这种垂直风切变随风速、 高度 的变化 11 -12, 使得从单一的 10 m 高度 50 年一遇最大风速, 推求风电场轮毂高度处的 50 年一遇最大风速困难较多。 使用 5 d 最大 10 min 平均风速取样法, 能同时估算不同高度

12、上的 50 年一遇最大风速, 进而较准确地推算出实际轮毂高度处的 50 年一遇最大风速。 在我国有些风资源较丰富的地区, 低层和高层( 约 30 m 以上) 平均风速日变化呈明显的反相变动: 低层风速昼间大夜间小, 而高层风速昼间小夜间 大。这主要是由于动量下传作用、 地表热力性质的差异所致。使用 5 d 最大 10 min 平均风速取样法,不须再顾虑这些地区中不同高度上风速近反相的日 变化。1. 3 以 5 d 最大风速估算 50 年一遇最大风速5 d 最大风速不是严格的随机过程, 样本概率之间不能严格地满足泊松分布, 这主要是由于影响当地天气的系统变化所致。而对于 1 年以上的风速变化来说

13、, 5 d 最大风速仍可认为是拟平稳随机过1091期 呼津华等: 风电场不同高度的 50 年一遇最大和极大风速估算 程 13, 可以适用极值型概率分布。我国风电场内的实测风数据要求有 1 年序列,一个实测的高度上正好可以取得 73 个 5 d 最大风速样本。以此 73 个样本, 用极值型概率分布和修正的矩参数估算法, 便可估算该高度上的 50 年一遇最大风速:Vc50max= u-1 Aln ln(50 73 50 73- 1)( 1)式( 1) 中, u 为极值 型概率分布位置参数即分布的众值, A为分布的尺度参数。L=1 n6ni= 1Vi ( 2)R=1 n- 16ni= 1( Vi-

14、L )2( 3)A=c1 R( 4)u = L-c2 R( 5)式( 2) 和( 3) 中, Vi为 1 年内 73 个 5 d 最大 10 min平均风速样本序列( n= 73) ; 式( 4) 和( 5) 中, c1和 c2是用修正的矩法估算参数的; 当 n= 73 时, 由5全国风能资源评价技术规定6中附表, 以内插法查得:c1= 1. 187907, c2= 0. 555403。1年实测风序列中 5 d 最大 10 min 平均风速,主要反映天气系统变化在一年内对当地风速的影响, 尚需考虑最大风速的年际变化。对此, 可以用邻近气象站长期数据的估算结果给予订正: 以邻近气象站的长期数据,

15、 依照5全国风能资源评价技术规定6估算出该气象站 10 m 高度上 50 年一遇最大风速 Vm1; 以与风电场实测风同期的该气象站逐日最大风速, 使用 5 d 最大风速取样法估算出该气象站 10 m 高度上 50 年一遇最大风速 Vm2; 以 Vm1与 Vm2的差, 订正风电场内 10 m 高度上 50 年一遇最大风速; 以订正后的风电场内 10 m 高度 50 年一遇最大风速和 5 d 最大风速取样法估算的风电场内各高度 Vc50max相应于 10 m 高度的垂直风切变, 估算出风电场各高度上 50 年一遇最大风速。2 阵风系数变化对50 年一遇极大风速的影响在国际风电机组设计标准 1中,

16、以统计平均阵风系数1. 4, 由 10 min 平均风速来推算50 年一遇极大风速, 主要是为了便于风电机组疲劳载荷的测算。现在我国风能资源评估中也多用这样的阵风系数, 由 50 年一遇最大风速推算极大风速, 从实践情况来看不够准确和合理。在我国北方的多数地区, 平均阵风系数都接近于 1. 4, 但最大阵风系数随风速的增大会明显减小, 且这种减小趋势随高度的增加会更明显。另外, 我国沿海一带在受台风或热带风暴影响时, 风场内的阵风系数虽然会随高度的增加而减小, 但各个高度上往往还会出现阵风系数大于 1. 4 的情况。 从实际需要出发, 以实测到的较大风速段的最大阵风系数, 由前述估算的 50 年一遇最大风速推算极大风速, 应该更为合理、 可靠。3 乌兰伊力更风电场 50 年一遇最大和极大 风速估算3. 1 资 料使用国家第 5 期特许权内蒙古巴彦淖尔市乌兰伊力更风电场 300 MW 项目( 以下简称乌兰伊力更 风电场) 内 901