测风塔选址及数据采集对风电场产能评估的影响

摘要：在风电场规划阶段，测风塔位置的选择是否合理、测风数据完整度等因素直接影响风电项目可研阶段风电场产能计算的准确性。从而关系到风电场建成投运后整体效益。合理的测风塔位置选址和正确的数据采集、处理方法是风电项目前期的基础。

关键词：风电场；测风塔选址；数据处理；产能；

近年来，随着风力发电技术的不断成熟，风力发电行业迅速发展。各国政府、风电开发商开始观注风资源、抢占风资源，在风资源丰富区投资设立测风塔，为将来风电场的投资建设获取第一手风能资料。

风电场内安装的测风塔多为绗架式结构（如图1）和圆筒式结构（图2），采用钢绞线斜拉加固方式，高度一般为40~150米。在塔体不同高度处安装有风速计、风向标以及温度、气压等监测设备。可全天24小时不间断地对场址风资源情况进行观测，测量数据被记录并存储于安装在塔体上的数据记录仪中。

1 风场区域内测风塔选址

1.1测风塔位置和风机位置的相似准则

设立测风塔的目的是能够准确反映将来风场内风机位置的风资源情况，所立测风塔周围环境要与风机位置的环境基本一致。这样他们之间就要遵循一定的相似准则。

测风塔位置和风机位置之间的相似准则主要从大气环境和地理特性两方面来说。大气环境相似：整体的区域风况相似、风的驱动力相似、大气稳定情况相似；地形相似：地形复杂度、海拔及周边情况、背景粗糙度情况、距离粗糙度改变线的距离。

以上两个方面的相似准则是风电场前期测风塔选址的基本依据。一般来说，用于风电场规划的区域面积都在几十公里范围内，属于小尺度和中尺度大气结构范畴。大气稳定性情况基本一致，主要考虑测风塔位置与风机位置的地形特征、地表植被的相似。即测风塔与风机位应在气候条件，地形，高程和地表粗糙度等方面尽可能相似。同时，测风塔与风场尽可能的接近，避免受气流畸变的影响。

1.2风场区域内测风塔位置与数量选择

根据国标GS/T 18709-2002规定，测风塔所选测量位置的风况应基本代表该风场的风况，测风塔位置既不能选在风场区域的较高处也不能选择较低的位置，所选位置应能代表场区内风机总置。测风塔附近应无高大建筑物、树木等障碍物，与单个障碍物距离应大于障碍物高度的3倍，与成排障碍物距离应保持在障碍物最大高度的10倍以上。测量位置应选择在风场主风向的上风向位置。

规划区域内测风塔数量根据风场规模和地形复杂程度而定。一般来说，具有均匀粗糙度的平坦地形50～100平方公里范围考虑在场中央安装1个测风塔即可。如果场区内地表粗糙度在中间衔接发生急剧变化，测风塔应避开此类地区， 在地表粗糙度变化前和变化后分别安装测风塔；丘陵及山地地形30～40平方公里范围考虑1个测风塔。对于复杂地形，隆升地形气流在盛行风向吹向隆升地形时，山脚风速最小，山顶风速最大，半山坡的风速趋于中间，均不能代表风场的风速，应根据地形特征选在风机实际可能位置，在山顶、半山坡的来流方向安装测风塔。对于低凹地形如峡谷内，当盛行风向与低凹地形的走向一致时， 低凹地形内的气流被加速，适宜建设风电场。如果盛行风向与山谷走向不一致，谷内的气流变化复杂导致湍流增大，这样的区域不宜建设风电场。所以，在这个地形条件下测风塔应设在低凹地形盛行风向的上风入口处， 测风数据才具有代表性[1]。

2 测风设备的安装

测风塔安装要选择正规的设风设备和专业的安装人员。测风塔的安装高度应接近拟安装风力发电机组的轮毂高度。风速仪、风向标安装时，建议至少安装三层，其中应有一套风速、风向传感器安装在10m高度处，另一套风速、风向传感器应固定在拟安装的风力发电机组的轮毂中心高度处。目前大部分风电运行商，采取的70米高度的测风塔，10米～70米安装4～5层风速传感器，10米～70米高度各安装一套风向传感器。为避免气流畸变一般在70米高度处（轮毂高度）对称安装两套风速、风向传感器。目前随着风电机组单机容量的不断增大，陆地3000千瓦机组已经下线。安装的测风塔高度也随着增高，陆上风电场开始安装100米高测风塔。

3 测风数据收集及处理

测风塔测风仪采集的数据一般通过无线通讯（GSM,GPRS/CDMA），卫星，短波等方式进行数据传输。在没用无线通讯信号的地方则采取现场取数据的方法。国标规定现场测量、收集数据应至少连续进行一年，并保证采集的有效数据完整率达到90%以上。

数据收集、分析、处理的时段最长不宜超过一个月。收集的测量数据应作为原始资料正本保存，用复制件进行数据分析和整理。对收集的数据进行初步判断，判断数据是否在合理的范围内；判断不同高度的测量记录相关性是否合理；判断测量参数连续变化趋势是否合理，发现数据缺漏和失真时，应立即认真检查测风设备，及时进行设备检修或更换，并应对缺漏和失真数据说明原因[2]。

针对目前我国目前风电前期开发的现状，建议风电开发企业应配备专业人员统一进行测风仪器维护、测风数据收集、测风数据整理分析。通过每个月一次的测风数据整理分析，及时发现测风仪故障，组织测风设备维修。如果一个企业的测风塔数量较多，则可以购买专业的测风数据管理软件，进行统一管理，提高数据管理质量和效率。

4 影响风机产能计算结果的因素

利用一般的风资源评估软件估算风电场产能的时候，由于软件计算过程中采用的数值模拟模型的局限性，当所选测风塔位置不能代表风场内风机总置时，评估软件的计算结果很可能与场区内实际风资源情况不符。导致计算产生一定偏差。当地形较为平坦、地面障碍物较少、植被单一、地域较小时，测风塔位置的选取对产能估算结果产生的误差很小，这种误差基本显现不出来。但当地形较复杂时，这种偏差就会很大，误差可以达到30%以上。

当测风塔位置低于整个风场风机高度时，利用风资源评估软件计算发电量时，产能往往会被高估。反之当测风塔位置高于风机整体高度时发电量会被低估。有些人误认为将测风塔安装在场区内海拔相对较低的位置，这样获取的测风数据相对保守，这种想法是错误的。

局部地形及陡峭度也会对产能计算产生一定的影响，1997年在柏林欧洲风能会议上，Niels G.Mortensen 和 Erik.L.Petersen的论文中提到：如果测风塔位置非常陡峭，而规划场址不太陡峭，风电机组处风速会被低估，从而发电量会被低估的更多。反之，当测风塔位置较陡峭，而规划区域相对平坦时发电量会被高估，而且被高估的比例会更大[3]。图3即为WAsP 应用于复杂地形时的风速预测误差评估图，其中同一陡峭度（RIX ）对应不同误差估计值时，取误差高值为评估结果[4]。

测风数据的质量是影响风场发电量计算、风机载荷及投资效益的基础因素。除了风机位置，测风设备的安装、测风仪器的校准、测风数据的完整率等都会影响数据的质量。一般来说如果测风设备安装方法不正确，低质量的安装会导致7%的测量误差。如果测风数据处理不及时，没有定期对测风设备校验、维护都会造成数据失真。测风数据收集时间要大于1年且为整年，因为一年是建立风况季节性特性资料的最短期限，这样也有利于与气象站资料进行对比分析，若用前一年的下半年和后一年的上半年作为一年，往往很难判断是大风年还是小风年。在利用长期相关性数据进行修正时会产生误差。

5 结论

影响风电场发电量评估结果的因素很多。如测风仪的校准，测风塔安装质量，测风时间长短，风数据的完整性、准确性，有无长期数据对风速进行修正，测风塔位置与风机位的相似性，所采用计算软件的局限性，计算人员的经验水平等。提高测风数据的准确性要依靠从事风电工作的科研、技术人员不断的探索积累经验，不断提高风电场产能评估的能力。

参考文献：

[1]包小庆，张国栋.风电场测风塔选址方法[J],资源节约与环境,2008.06:55.

[2]国家发展改革委,风电场风能资源测量和评估技术规定, 2003 年 9 月 30 日

[3]Per Nielsen,EMD International A/S, WindPRO 2.5用户指南[M] EMD International A/S,2006 179-181.

[4]冯双磊,刘纯,王伟胜,戴慧珠地形复杂的风电场资源评估误差分析方法[J],可再生能源, 2009. 06 :