一种新型的风电场50年一遇安全风速计算方法的对比分析

摘要：采用极值I型函数和EWM模型，结合气象站与风电场测风塔的数据，推算风电场轮毂高度处50年一遇的最大风速，并将计算结果进行对比分析。结果显示：对于山地风电场，采用极值I型推算得到50年一遇最大风速与通过EWM模型测试得到的50年一遇最大风速的结果存在较大差异。而对于地势平坦的风电场，这两种测算50年一遇的最大风速的结果比较接近。

关键词：50年一遇最大风速; 极值I型函数、EWM模型

中图分类号：P412.16 文献标识码： A

ABSTRACT:

With the data of meteorological station and meteorology mast on the wind farm, The extreme wind speed of 50 years at hub height is calculated using extreme value type I function and EWM model.The results show that there is a big difference for mountain wind farm between extreme wind speed of 50 years using extreme value type I function and extreme wind speed of 50 years using EWM model, but there is a close result for flat wind farm between extreme wind speed of 50 years using extreme value type I function and extreme wind speed of 50 years using EWM model.

KEY WORDS: The 50-year Extreme Wind Speed ;Extreme Value type I Function.EWM model

前言：

风电场建设的最基本要求是风能资源丰富，风向较稳定的区域。但随着国内风电产业的发展，就地消纳困难，大规模并网及远距离传输对电网提出更高的要求等问题凸显等，能用于开发的较好风资源越来越少，剩余的风资源区域大多为偏远地带或较差风资源地带。这种风电场对风机的安全稳定运行提出更大的挑战。如风力发电机组的安全性能校核不好，易造成风机倒塌事故的发生，给投资商带来巨大的经济损失。同时，为风机制造商带来不利影响。依据IEC与GL风力发电机组设计标准，50年一遇10分钟最大风速是风电机组承受其极限载荷的关键的性能指标，也是风电机组最终选型的关键指标之一，故对风电场内轮毂高度50年一遇最大风速的准确性判断显得尤为重要。

目前，国内多采用《全国风能资源评价技术规定》[1]中极值I型概率分布函数，结合风电场区域气象数据推算本区域内10米高度的50年一遇的极大风速。随后，利用气象数据与测风塔数据之间相关性及风切变函数，推算风电场轮毂高度处50年一遇的最大风速。除此之外，GL风力发电机组设计标准中也提出一种EWM(Extreme wind speed mode)模型计算风电场50年重现期的最大风速公式。通过这两种方法对实际工程中计算结果的比较分析，探讨一种新型的50年一遇最大风速计算方法的可行性，为实际工程应用提供参考依据。

1、风电场项目介绍

风电场50年一遇的最大风速是风机安全稳定运行基本保障,依据IEC风力发电机组选型标准，须明确风电场50年一遇的安全风速，才能正确地选择风力发电机组，保证风电场的经济性与安全性。本文选取中原地区不同复杂程度的4个风电场与1个“三北”风电场，辅以风电场区域内气象数据与测风塔数据，对这5种类型的风电场50年一遇的最大风速进行计算与数据对比分析，寻求两种计算方法的各自点。A风电场以丘陵山地为主，高程1100~1500米，坡度10-30°，局部山体较为陡峻；B风电场为山地地形，高程750~1075米，坡度4-20°，局部山体较为陡峻；C风电场山体基本连续，山顶高程500-700米，山脊较为平缓宽广；D风电场为低山丘陵，山顶高程为300-450米，谷底高程为70-90米；E风电场地形较为平坦，场地开阔；

2、风电场的安全等级

风电场的安全等级是保证风机在承受极限载荷条件下能够稳定运行,实际工程应用中，风力发电机组等级即是风电场的安全等级，其包含三个方面：年平均风速、湍流强度及50年一遇最大风速，其设计依据IEC风力发电机组分类标准。按照最新2005版IEC标准将风机划分为四类，见表2-1[2]。

表2-1 风电机组等级分类

3、数据分析方法

3.1 极值I型分布函数

依据《全国风能资源评价技术规定》，风电场最大风速χ采用极值I型概率分布[3]和密度分布函数为： （1）

（2）

（1）与（2）公式中，u为分布的位置参数，α为分布的尺度参数。假定有限个年平均风速最大值，用w表示。因风速是离散数据，按照数学期望E(w)和标准方差σ计算公式，可得到有限样本内的平均值 和标准方差σ。分布的尺度参数α与均值 及标准差σ之间的关系式如下：

（3）

（4）

（5）

（6）

其中C1、C2通过《全国风能资源评价技术规定》标准内附表中查得。C1、C2数值见表3-1，n代表测风数据年数。

表3-1 系数C1与C2数值一览表

重现期风速：以年为一个自然周期定义年最大风速，极值定理选取的样本以年最大风速值测量的。从概率分布的角度分析，两次重复出现相同10分钟平均最大风速的间隔周期称为重现期，用T表示。重现期是以年为单位，则在任一年中超过10分钟平均最大风速一次的概率为1/T，故小于该风速的概率，即重现期为T的风速计算公式如下：

（7）

其中u是分布的位置参数，α是分布的尺度参数，XT为重现期的最大风速。

依据公式（3）、（4）、（5）、（6）、（7）可求出风电场10米高度重现期为T的最大风速。

3.2 极大风速模型(Extreme wind speed model，简称EWM)

极大风速用来定义风力发电机组在极端状况下承受的风速载荷，该载荷包括因扰动和快速变化在风速和风向上产生的尖峰风速。除极端状况下的风速载荷外，风力发电机组的极大风速载荷也包含潜在湍流风的影响。因此，对影响风力发电机组载荷的确定因素在风机设计时必须考虑。

（1）EWM[5]是一个稳定或湍流极大风速模型。该模型是基于风电场安全等级中的参考风速Vref和标准偏差σ1制定的。其实，EWM模型代表了极大风速模型（3秒钟平均风速）与最大风速模型（10分钟平均风速）。其中，极大风速模型即是稳定的极大风速模型；最大风速模型即是湍流的极大风速模型。

（2）对于稳定的极大风速模型，50年一遇的极大风速Ve50和1年一遇的极大风速Ve1必须依据参考风速Vref来计算。然而对于标准的风力发电机组安全等级，50年一遇的极大风速Ve50和1年一遇的极大风速Ve1可作为高度函数，高度用Z表示，对应高度的计算公式如下：

Ve50(Z)=1.4Vref(Z/Zhub)0.11 （8）

Ve1(Z)=0.8Vref Ve50(Z)（9）

VeN(Z)是指预期的极大风速（超过3秒钟平均），N年、Ve1 及Ve50分别代表了N年、1年及50年的重现期。

（3）对于湍流的极大风速模型，10分钟的平均风速是高度（Z）的函数表达式，关于50年或1年重现期对应高度的函数可用等式加以表达：

V50(Z)=Vref(Z/Zhub)0.11（10）

V1(Z)=0.8Vref (Z/Zhub)0.11 （11）

VN(Z)是指预期的极大风速（超过10分钟平均），N年、V1 及V50是分别代表N年、1年及50年的重现期。

对于湍流型极大风速模，轮毂高度处Vhub平均风速可用认为是Vref或0.8 Vref。应用湍流风速模型必须与标准的湍流模型NTW（Normal turbulence model）保持一致，即纵向湍流标准偏差：σ1=0.11Vhub。

（4）对于EWM风速模型的载荷计算，要求遵守如下一般需求：

对于每个模拟仿真操作，单个湍流极大风速的模拟运行周期须至少10分钟。

对于湍流型极大风速的载荷仿真模拟，载荷计算与评估的内容须遵守GL标准中载荷评估的方法。

对于湍流型极大风速的载荷仿真模拟，采用的风须依据不同的初始值（种子）生成的风。

如果计算塔筒部分载荷，风速区域须包含完整部件（轮毂与塔筒）。或者得到GL标准委员会允许之后可采用某一替代模型。

由上述可知，湍流型极大风速是风电场50年一遇的最大风速模型。通过上述公式（10）、(11)可推导出如下内容：

V1(Z)=0.8 V50(Z)（12）

V1(Z)代表一年中10分钟平均的最大风速。按照国家标准，风电场至少提供一年测风数据。因此，假定风电场为一年重现期，可获得风电场一年重现期最大风速。依据公式（12），即可得到风电场50年一遇的最大风速，而这个值可认为是轮毂高度处的参考风速。

4、工程实例

4.1 极值I型最大风速计算方法

该方法是以风电场区域的气象数据为基础，选取气象数据中大于风机额定风速以上的风速与测风塔高度处大于风机额定风速以上的风速做线性相关，得到对应的相关函数。利用该函数可得到测风塔高度处50年一遇的最大风速。最后，通过风切变数据得到风机轮毂高度处50年一遇的最大风速。实际案例的计算结果见表4-1。

表4-1 极值定理计算结果

4.2 EWM模型计算方法

该方法是以风电场区域的测风数据为基础，取其一年10分钟平均的最大风速，通过湍流性极大风速计算公式（12）得到风电场测风塔高度处50年一遇的最大风速。采用风切变数据，获得风电场轮毂高度处50年一遇的最大风速。实际案例的计算结果见表4-2。

表4-2 EWM模型计算结果

通过上述2种计算方法对5个风电场50年一遇的最大风速结果进行分析，得到如下结论：

对于山地风电场，采用极值I型方法与EWM模型计算结果差别较大。而对于地势较缓风电场，采用极值I型方法与EWM模型计算结果差别较小，而且地势越平坦，结果显示差异越小，可忽略不计。

从技术层面上看，山地风电场，考虑地势的海拔高度与周围地理位置的因素，因风电场内各个风机机位海拔高度不同影响风速变化，最终导致风速标准偏差与湍流强度存在差异，对计算结果可能会造成影响较大。而对地势较为平坦风电场，风速不受周围地势的影响，风速与湍流强度比较稳定，对计算结果造成影响较少。

从计算方法上看，严格意义上讲两种计算方法均存在局限性。公共特点：测风数据只是代表了风电场某一点风资源数据，采用一点风资源数据外推整个风电场区域存在某些不确定因素。特别是对山地风电场，地形比较复杂且风电场范围较大的情况下，测风塔测量得到数据存在狭隘性。对极值I型计算方法，虽然原始数据采用气象站数据且样本数量充足。但气象站距离风电场较远且测风高度处风速是通过线性相关推算的，中间转换过程会增加误差。而对于EWM湍流极大风速模型，虽然最大风速由测风数据直接推算出来，但风速存在大风年与小风年现象。

综上，对于计算50年一遇最大风速值不一致的现象，综合各方面的原因，如工程实际情况等因素，得出一个相对合理的风电场50年一遇的最大风速。

5、结论

本文阐述了计算风电场50年一遇最大风速2种方法，并用工程实例验证了其实用的风电场类型，在工程实际中具有一定的实用意义。

随着国内风电产业的日益成熟，业界人士越来越来关注50年一遇的最大风速计算方法，因为它是风力发电机组安全稳定运行先决条件。虽然在一定条件下，风机极限载荷设计值越大越好，可适应更多的风电场安全风速。但这会增加社会的经济成本。随着科学技术的进步与实际工程经验的不断积累，依据不同风电场实际情况，风电产业将会获取更多风电场50年一遇的最大风速的计算方法。

参考文献

[1] 国家发改委.全国风能资源评价技术规定.发改委能源[2004]865号,2004，3-7.

[2] International Electro technical Commission.IEC61400-1.Third edition [S]，2005-08.

[3] J P Palutikof,B B Brabson .A review of methods to calculate extreme wind speeds.[J].Meteorol 1999,6：:124-127.

[4] 李宏男，王杨等.极值风速概率方法研究进展.自然灾害学报[J]，2009（2）:44=59.

[5] Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH. Guideline for the Certification of Wind Turbines.[S],Edition 2010_R0：4-3:7