昌马风电场风资源状况分析

摘 要：依据气象站和风电场测风塔10m、30m、50m、70m高度测风数据，通过计算年平均风速、风切变指数、平均风功率密度、风向和风能玫瑰图及湍流强度，对昌马风电场90m高度风能资源进行评估，计算结果表明该风电场90m高度年有效风速时数为8006h，风功率密度等级达到3级，无效风速少，无破坏性风速，风电场风能资源比较丰富，风速年内变化小，全年均可发电。

关键词：昌马风电场；风资源；状况；分析

引言

已有大量文献[1-6]对国内外拟建风电场的风能资源和储量评估进行了研究，因风速的变化是随机的，受地理位置、气象条件、人类活动等诸多不确定因素的影响，对风能资源评估所采用的方法也不尽相同。风能资源评估的可靠性直接决定了风电场投运后的经济效益和成败，可靠的风能资源是风电场微观选址、风机选型的直接依据。因此，在风电场前期选址、论证开发过程中，风能资源评估的可靠性显得尤为重要。文章结合玉门镇气象站30年的气数据和昌马风电场10m、30m、50m、70m高度1年的测风数据，利用Wasp软件对昌马风电场的平均风速、平均风功率密度、风向、湍流强度等进行计算，为风电场的建设提供理论依据。

1 昌马区域风资源概况

昌马地区位于甘肃省酒泉市，南部为祁连山脉，北部为北山山系，中部为平坦的戈壁荒滩，形成两山夹一谷的地形，处于河西走廊的西段，风能资源丰富。

1.1 多年平均风速

距离昌马风电场最近的气象站为玉门镇气象站，玉门镇气象站为国家基本气象站，于1952年7月设立，观测至今，记录有完整连续的气象资料。根据1980年9月～2010年8月30年的气象资料进行统计，玉门镇气象站近30年平均风速3.29m/s，近20年平均风速3.05m/s，近10年平均风速2.96m/s，与测风塔同期的2008年9月～2009年8月的气象站风速为3.06m/s。

1.2 月平均风速

玉门镇气象站月平均风速见图2，由图表中可以看出，该地区11月～翌年4月风速较大，7～9月风速较小，即冬春季风大，夏季风小。

1.3 风向玫瑰图

根据玉门镇气象站资料，玉门镇气象站风向玫瑰图见图3，该地区盛行风向为东风、西风。在时间分布上，年盛行风向和季节变化基本一致，冬季盛行西风，夏季盛行东风。

1.4 风电场测风资料

昌马风电场在设立了一座70高测风塔，为了有效评估本风电场风能资源，对原始测风数据进行了验证，对其完整性和合理性进行了判断，检验出不合理的数据和缺测的数据。按照GB/T18710-2002《风电场风能资源评价办法》，采用北京木联能软件公司编制的《风电场测风数据验证和评估软件》2.0版本对测风塔的实测数据分别进行完整性检验、范围检验、相关性检验和风速变化趋势检验，检验后列出所有不合理的数据和缺测数据及对应的时间，对不合理数据再次进行判断，挑出符合实际情况的有效数据，回归原始数据组。

选取测风塔测风数据较为完整的2008年9月到2009年8月时段完整1年测风数据作为风能资源评估依据，该时段有效数据完整率为98.3%，大于90%，满足风电场设计要求。

表2 测风塔实测不同高度月平均风速统计表 （单位：m/s）

1.5 测风数据订正

为得到反映该风电场长期平均水平的风速代表性数据，借用玉门镇气象站长期测风资料对测风塔2008年9月到2009年8月时段测风数据进行订正。

玉门镇气象站与现场测风塔同期的测风时段平均风速为3.06m/s，

比近10年平均风速大3.27%，比近20年平均风速大0.33%，比近30年平均风速小4.25%，测风塔测风数据介于近20年和近30年之间。利用气象站资料对测风塔数据进行10年平均订正，测风塔订正前70m高度平均风速为7.89m/s，订正后平均风速为7.67m/s。

2 风电场风资源计算

2.1 空气密度

根据玉门镇气象站近30年平均气温、气压和水汽压计算空气密度，计算公式如下[7、8]：

式中：t为平均气温（℃）；p为平均气压（hPa）；e为平均水汽压（hPa）。

计算得出玉门镇气象站空气密度为1.059kg/m3。昌马风电场场址平均海拔高程与玉门镇气象站（1526m）基本相同，且距离较近，故昌马风电场场址空气密度采用1.059kg/m3。

2.2 风能计算

2.2.1 平均风速及风功率密度

90m高度风速由70m高度风速数据推算（切变指数为0.12），风向采用70m高 度风向，测风塔90m高度代表年月平均风速统计见表3。

测风塔90m高度年平均风速为7.91m/s，年有效风速（3.0m/s～25.0m/s）时数为8006h，平均风功率密度为495W/m2。

表3 测风塔90m高度代表年各月平均风速、风功率密度统计表

风速：m/s；风功率密度：w/m2

2.2.2 风频曲线及威布尔参数

风频曲线采用威布尔分布，概率分布函数用下式表示：

式中：V为风速；A、K为威布尔参数。

用WASP9.0程序进行威布尔曲线拟合计算，得到测风塔各个高度的A、K、U、P值见表4。

测风塔90m高度平均风速威布尔分布图见图4，由图4可以看出，测风塔90m高度风速概率分布与威布尔分布曲线拟合情况较好。

2.2.3 风速、风向特性

测风塔90m高度年风向和风能玫瑰图分别见图5、6，测风塔90m高度全年各扇区风向和风能分布统计见表5。

从表5可以看出，测风塔90m高度主风向和主风能方向一致，以西（W）风和东（E）风的风向和风能频率最高。西风向频率占全年的19.32%，风能频率占全年的32.62%，东风向频率占全年的19.73%，风能频率占全年的27.61%。

测风塔90m高度风速主要集中在3.0m/s～12.0m/s，占全年的77.89%，风能占全年的46.16%；13.0m/s～25.0m/s风速段占全年的13.49%，风能占全年的53.83%；而小于3m/s的风速约占全年的8.62%，风能占全年的0.59%。测风塔90m高度风速、风能频率分布统计见表6。

2.2.4 风切变指数

风切变指数按下式计算：

式中：V2：高度Z2的风速，m/s；V1：高度Z1的风速，m/s

拟合测风塔不同高度及其对应风速相关关系的方程，方程为Y=4.7928X0.1243，相关系数为0.999，相关性较好，切变指数为0.1243。

2.2.5 50年一遇最大风速

根据玉门镇气象站近30年实测年最大风速采用极值I型概率分布统计出50年一遇10m高度最大风速为28.08m/s，极大风速为39.3m/s。50年一遇最大风速计算公式为：

式中：V为风速；u=16.85为分布位置参数；？琢=0.3474为分布尺度参数。

推算至70m、80m、90m和100m高度50年一遇极大风速分别为51.62m/s、52.60m/s、53.47m/s和54.26m/s。

根据风压公式：

式中：g为重力加速度，γ为重度。标准大气压（1013.3毫巴），常温（15℃）时干空气重度为1.225kg/m3。

风电场空气密度为1.059kg/m3，考虑到空气密度的变化，将风场当地50年一遇极大风速用风压公式订正到标准空气密度条件下。经计算标准空气密度条件下50年一遇极大风速相当于空气密度为1.059kg/m3时的92.98%，即风场70m、80m、90m和100m高度50年一遇极大风速订正到标准空气密度条件下分别应为48.00m/s、48.90 m/s、49.71m/s和50.45m/s，小于52.5m/s。

昌马风电场测风塔70m高度记录的实测风速极大值为50.90m/s，出现在2008年12月21日。测风塔在2008年12月21日极大风速大于40m/s记录32条，在2009年12月24日和25日极大风速大于40m/s记录14条。分析附近测风塔同期资料，附近塔该时段极大值为30m/s左右。综合分析认为该地区不排除个别区域出现较大阵风的可能。

2.2.6 湍流强度

风速段湍流强度按下式计算：

IT=σ/V

式中：V为14.5m/s

将测风塔70m高度15m/s风速段平均风速和相应风速标准偏差代入上式计算，求出70m高度湍流强度为0.077。低于0.12，湍流强度较小。

3 风能资源评价

从以上分析可知，该风电场以西（W）风、东（E）风的风向和风能频率最高，盛行风向稳定。风速冬春季大，夏季小。

该风电场90m高度年有效风速（3.0m/s～25.0m/s）时数为8006h，风速频率主要集中在3.0m/s～12.0m/s，3.0m/s以下和25.0m/s以上的无效风速少，无破坏性风速，风速年内变化小，全年均可发电。

用WASP9.0软件推算得到90m高度年平均风速为8.06m/s，平均风功率密度为501W/m2，威布尔参数A=9.1，k=2.12，根据《风电场风能资源评估方法》判定该风电场风功率密度等级达到3级，风能资源比较丰富。

由玉门镇气象站近30年资料推算70m、80m、90和100m高度50年一遇极大风速分别为48.00m/s、48.90m/s、49.71m/s和50.45m/s，小于52.5m/s。15m/s风速段湍流强度为0.077，小于0.12，湍流强度较小。根据国际电工协会IEC61400-1（2005）判定该风电场可选用适合IECⅢ及其以上安全等级的风机。

根据《风电场风能资源评估方法》判定该风电场风功率密度等级已达到3级，说明该风电场风能资源比较丰富，具有较好的开发前景。

参考文献

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[7]GB/T 18709-2002.风电场风能资源测量方法[S].

[8]GB/T 18710-2002.风电场风能资源评估方法[S].