基于VB设计的风能资源评估软件

摘要：文章介绍了一个基于VB编程的风能资源评估软件，阐述了用VB编程的计算机程序实现对风电场测风数据的分析计算及其使用方法，进而达到对风能资源各参数的计算的简化。由NRG软件得到的现场测风数据导出并保存在Excel表格里，通过VB编程，调用Excel表格里的数据，并在复杂计算中调用MATLAB完成复杂公式的计算，最终实现风资源参数自动计算的效果。根据新疆吐鲁番地区小草湖风电场一年的测风数据，对该软件进行了计算演示。

关键词：风能资源参数；Visual Basic；程序设计

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 02-0000-03

Wind Energy Assessment Software Based on VB Design

Pan Deng,Qi Wenjun,Song Changfei,GU Zaiayi

(School of Mechanical Engineering,Xinjiang University,Xinjiang830047,China)

Abstract:The article describes a wind energy resource assessment software based on VB,states how to calculate wind energy resource parameters according to anemometry data using VB program in order to simplify calculation.On-site wind measurement data obtained by NRG Software is exported and saved in the Excel spreadsheet,using VB programming,call the Excel spreadsheet,and complete the calculation of complex formulas and complex calculations by calling MATLAB,ultimately realize the automatic calculation of the wind resource parameters.The software is demonstrated using wind measurement data during one year of Grass Lake wind farm in the Turpan area.

Keywords:Wind resource parameters;Visual Basic;Program design

一、引言

风能是一种广泛分布的无污染、可再生的绿色能源，是未来能源的重要来源[1-2]。随着化石能源的日益稀缺，全球环境的恶化，开发可再生资源成为各国的能源目标。风电场风能资源的评估水平直接影响风电场的选址及发电量预测，最终反映为风电场建成后的实际发电量。我国常用的风能资源评估软件大都是WAsP软件和WEST软件，它们都是利用中尺度数值模式与微尺度大气模式耦合的方法进行风能资源模拟评估，据此来替代测风塔[3]。

目前在我国已建成投产的风电场实际运行效益比前期评估差20%-30%左右[4]，其主要原因是对风电场的前期风资源评估缺乏最基本的原始观测数据，而单纯利用中尺度数值模式以及微尺度大气模式耦合进行风能资源宏观评估与实际出入很大。在风能资源评估开发中，还必须以适当的现场风观测数据作为基本依据[5]。由于气象观测的数据量极其庞大，用人力进行统计工作量非常大，很多计算都是用人力很难实现的。为了从冗杂的统计、计算、分析中摆脱出来，我们利用VB技术来实现风能资源评估的软件，采用Visual Basic程序设计语言，实现了对当地风能资源快速准确的评估。

二、软件的概要设计

初步设计的风资源评估软件要实现的功能见图1所示的VB界面，它主要应实现以下功能：（1）根据气象站的长期的测风资料，统计出小时平均风速、日平均风速、月平均风速及年平均风速，并通过图表展现风速变化趋势。（2）根据气象站的测风资料，算出风速的有效数据完整率、风切变指数、标准偏差和湍流强度等在风资源评估计算中要用到的关键数据。（3）根据实测数据计算出风能资源评估中评定风能资源等级的重要参数。

图1 软件功能

三、风能资源评估的理论基础

（一）威布尔参数

风速的概率分布函数有威布尔分布函数和瑞利分布函数，其中以关于威布尔分布函数的描述较多，威布尔分布函数由控制分布宽度的形状参数k和控制平均风速分布的尺度函数c来决定。本软件运用最小二乘法计算上述两个参数。

1.形状参数k

（1）

k－形状参数； －风速标准偏差； －平均风速（m/s）。

2.尺度函数c

（2）

c－尺度函数；k－形状参数； －平均风速（m/s）；。

以下几个指标及因素是在进行风能资源的评估及风电场的选址时必须考虑的几个要点。

（二）风向频率分布

风电场风机的布局是由风向及其变化范围决定的，所以风向频率决定风机的发电效率。因此，一定要精确的计算出该地区的主要风向和次风向。我国一般将风向分为16个方位，即风向玫瑰图有16个扇区，每个扇区有22.5°[6]。

有效时数h

根据有效风速的区间划分（3m/s-25m/s），可以统计出发生在有效风速区间内的总小时数。

（3）

c－尺度函数；k－形状参数；h－有效时数（h）；N－设定时间内记录风速的次数；V1－风机的切入风速（m/s）；V2－风机的切出风速（m/s）。

（三）风速参数

1.平均风速

平均风速最能反映当地风能资源状况。平均风速分为年平均风速、月平均风速、日平均风速、小时平均风速和年同一时刻平均风速。一个地区风能资源的好坏是由该地区的平均风速的高低决定的。其计算公式如下：

（4）

－平均风速（m/s）；N－设定时间内记录风速的次数； －第i次记录的风速（m/s）。

2.有效风速

并不是风速越大越好，能够使风力发电机发电的风速是有界限的，在一个特定的风速区间（3m/s-25m/s）之内的，称之为有效风速，下限为风机的切入风速，上限为发风机的切出风速，在风速区间范围内的风速才能使风机正常运转。

3.风速频率

风速分为多个区间，以1m/s的间隔为一个风速区间，以此来统计每个风速区间之内风速出现的频率。每个风速区间的数字用这个区间内的中间值表示，如4m/s风速区间为3.5m/s-4.5m/s。

4.风速切变指数

近地层风速的垂直变化取决于指数α的值，α值的大小反映了风速随高度变化的快慢。α值大表示风能随高度增加快，风速梯度大；α小表示风能随高度增加慢，风速梯度小。由此，由仪器安装高度测得的风速和风切变指数可以推算出来近地层任意高度的风速。在估算风机的理论发电量时需要风机轮毂高度处的风况。

风切变公式如下： =（5）

α－风切变指数； －高度 的风速（m/s）； －高度 风速（m/s）。

（四）年有效风功率密度

计算风能也就是计算大气流所蕴藏的动能的大小，按照年有效风速计算出的风功率密度称为年有效风功率密度，其计算公式如下：

（6）

－年有效风功率密度（w/m2）； －空气密度（kg/m3）； －风速在有效风速区间内的风速序列；N－在时段内的记录总数。

（五）年有效风能

（7）

－年有效风能，w； －空气密度，kg/m3； －风速在3m/s-25m/s的风速序列；N－风速在3m/s-25m/s发生的小时数，h。

四、软件开发思路

该软件鉴于风资源评估所需的大量数据处理等特点，利用VB与用户对话界面的人性化、便捷的图表功能及与良好的兼容性等特点，设计一个方便快捷的风资源评估软件。具体思路为：利用VB进行界面设计及一些简单的参数编程计算，结合Excel和Matlab软件，利用VB从Excel表格里调用数据进行计算并将计算的结果保存在Excel表格里，其中一些比较复杂的公式利用Matlab软件来计算，如上文的公式（4）。即保证了风资源评估过程的系统化、便捷化，也保证了结果的准确性和条理性。

五、软件流程及工作界面

（1）将由NRG软件得到的测风数据保存为txt格式的文件。

（2）在Excel工作簿中使用“导入数据”命令，选择上一步的txt文件，将测得数据导入到Excel里。在VB中调用Excel时，打开VB编程环境菜单栏“工程”中的“引用”，选取下拉菜单中的“Microsoft Excel 11.0 object library”。并附加下列程序：

Dim WRK As Excel.Workbook

Dim RNG As Excel.Range

Dim XLS As New Excel.Application

Dim SHT As Excel.Worksheet

Dim ArrayCells1() As Variant

Set XLS = CreateObject("Excel.Application")

Set WRK = XLS.Workbooks.Open("D：\temp\风速.xls"， False， False)

Set SHT = WRK.Worksheets(1)

（3）打开软件，点击操作界面上的功能按钮，所要的计算结果会自动保存在Excel表格里了。

（4）打开excel整理结果。

图2 软件操作工作界面

六、软件的计算结果

（1）风资源重要参数：年平均风速、月平均风速、日平均风速、小时平均风速、年同一时刻的平均风速、风切变指数、风速频率分布、风向频率分布、风功率密度、年有效风能、年有效风速时数等风能资源评估的21个重要参数。

（2）图表：1）风速频率分布图、风速梯度分布图。2）全年及各月的风向玫瑰图和风能玫瑰图。3）风速年变化图(全年各月平均风速)。4）全年的风速日变化图(每日00∶00～23∶00的年平均风速)。5）全年的月风速变化图。

七、计算示例

（一）风速日变化

图3 全年风速日变化

发电机的切入风速是3m/s，切出风速是25m/s，一般发电机的额定风速是13m/s，所以只有风速在3m/s至25m/s内的风速才是有效风速。由上图可以得出，在有效风速范围内的比例很大，适合在该地区建立风场，进行风力发电。

（二）风向频率

图4 风向玫瑰图

由图1可知，小草湖地区主导风向为WNN，风向频率为25%；其次是NW、ESE，出现频率分别为18%和16%；其中风向NNE、NE、ENE、SSE、S、SSW、SW、WSW出现频率最小；由于小草湖独特的地形，风向具有较集中的特点，历年气象资料也是如此。

（三）风能资源参数

表1 各风能资源参数

高度m 年平均风功率密度W/

年有效风功率密度W/

年有效风能MW.h/

50 717.7 845.6 2256

30 444.6 542.8 1398

10 387.2 480.4 1212

以上为年平均风功率密度和年有效风功率密度的参数，依据我国学者研究的划分标准，小草湖区域属于风能丰富区。本文给出的参数对进一步了解、应用吐鲁番小草湖区域的风能有良好的借鉴与参考作用。

八、结论

相对与以往传统的风力资源评估中对大量数据的处理大工作量和枯燥冗杂的特点，本软件易于用户操作，既方便又快捷，且与用户对话效果好，可以作为计算我国风资源参数的有效工具。本软件尚处于开发的第一阶段，今后我们定将努力完善，为今后风资源评估发挥更大的作用。

参考文献：

[1]高绍风,陈万隆,朱超群.应用气候学[M].北京:气象出版社,2001:46-58

[2]孙济良,秦大庸,孙翰光.水利气象统计通用模型[M].北京:中国水利水电出版社,2001:71

[3]张鸿雁,丁裕国,刘敏.湖北省风能资源分布的数值模拟[J].气象与环境科学,2008,31(2):35-38

[4]贺德馨.对中国风能产业的思考[J].高科技与产业化,2008,7:25-27

[5]宋丽莉,黄浩辉,植石群.风电场风资源测量与计算的精度控制[J].气象,2009,35(3):73-80

[6]宫靖远.风电场工程技术手册[M].北京:机械工业出版社,2005:19-22,20-23

[基金项目]新疆大学“国家大学生创新性实验计划”项目（101075534）

[作者简介]潘登（1988-），男，新疆伊宁人，新疆大学在读大四本科生，机电一体化专业。