風(fēng)切變指數(shù)對輪轂高度風(fēng)速推算的影響分析

文 | 叢明，張吉

風(fēng)切變指數(shù)對輪轂高度風(fēng)速推算的影響分析

文 | 叢明，張吉

近年來，隨著低風(fēng)速項目的增加以及風(fēng)電機(jī)組技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)電機(jī)組塔架的高度越來越高，從100米增加到120米甚至更高，但實際測風(fēng)儀器的高度并不完全滿足開發(fā)要求。準(zhǔn)確計算并得到輪轂高度處的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)是風(fēng)電場發(fā)電量估算的先決條件，在項目可研過程中需要利用垂直風(fēng)切變指數(shù)推算出不同高度的風(fēng)速計算發(fā)電量、比較經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，以確定最佳開發(fā)高度。本文以安徽某風(fēng)電場測風(fēng)塔與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)合分析風(fēng)切變指數(shù)的確定對輪轂高度風(fēng)速推算的影響。

激光雷達(dá)（LIDAR）是一種先進(jìn)的移動測風(fēng)設(shè)備，相較于常規(guī)測風(fēng)塔，在測量上有明顯優(yōu)勢：測量高度可擴(kuò)展至200米以上，可設(shè)置多個測量層，便攜靈活。缺點是測量費用昂貴，難以長時間持續(xù)測量，不能代替測風(fēng)塔。

風(fēng)切變的指數(shù)定義

在近地層中，造成風(fēng)隨高度垂直變化的原因有動力因素和熱力因素，前者主要來源于地面的摩擦效應(yīng)，即地面的粗糙度，后者主要表現(xiàn)為與近地層大氣垂直穩(wěn)定度的關(guān)系。

計算實例

一、測量數(shù)據(jù)

整個風(fēng)電場范圍內(nèi)布設(shè)有6個激光雷達(dá)測量點（本文中以編號JG01-JG06進(jìn)行標(biāo)識），所有雷達(dá)設(shè)備在投入使用前，都與測風(fēng)塔進(jìn)行了精度對比和校正，保證測量準(zhǔn)確度。6個點位的測量時間周期都在2個月左右，本文考慮的測量范圍為40米至150米高度，以10米為間隔，共12個測量層。

采集到的測量數(shù)據(jù)包括六臺激光雷達(dá)測量點40米至150米共12層的10分鐘平均風(fēng)速以及地面溫度數(shù)據(jù)。

二、不同高度及層數(shù)對風(fēng)切變指數(shù)擬合的影響

依據(jù)當(dāng)前主要測風(fēng)塔的高度和主流風(fēng)電機(jī)組的輪轂高度，按照測量高度大致將雷達(dá)數(shù)據(jù)分為40m－80m（5層、LOW level）、40m－120m（9層、MIDDLE level）、40m－150m（12層、HIGH level）三個級別，比較采用不同高度層進(jìn)行擬合對風(fēng)切變指數(shù)結(jié)果的影響。

如圖1中所示，六臺雷達(dá)在低、中、高三層高度擬合的風(fēng)切變指數(shù)不同，可以大致分為三類：第一類是JG01和JG06，擬合結(jié)果是低層的指數(shù)值最小、中層次之、高層擬合的指數(shù)值最大；第二類是JG02和JG05，擬合的指數(shù)值在三個層次都基本一致；第三類是JG03和JG04，擬合的指數(shù)值，在低層最大、中層居中、高層最小，與第一類恰好相反。

三、溫度對風(fēng)切變指數(shù)擬合的影響

比較六臺雷達(dá)測量點的下墊面溫度，JG06溫度最高為9.3℃，其后依次是JG01、JG05、JG02、JG04，最低為JG03的1.01℃，依據(jù)溫度相對的高低可分大致分為三類：高溫檔（JG06與JG01）、中溫檔（JG05與JG02）、低溫檔（JG04與JG03），與上文中不同層次擬合結(jié)果的分類一致（如表1）。說明地面平均溫度影響不同高度層次擬合的風(fēng)切變指數(shù)結(jié)果：平均溫度比較高的情況下，隨著高度的增加以及參與擬合風(fēng)速層數(shù)的增多，風(fēng)切變指數(shù)結(jié)果越來越大；平均溫度較低時，隨著高度的增加以及參與擬合風(fēng)速層數(shù)的增多，風(fēng)切變指數(shù)結(jié)果越來越小。

四、風(fēng)切變指數(shù)的擬合值對不同輪轂高度風(fēng)速推算結(jié)果的影響

在上文根據(jù)溫度及不同層數(shù)計算的風(fēng)切變指數(shù)值將六臺雷達(dá)測量點分成了三大類，三類中各取一個雷達(dá)測量點（JG01、JG02和JG03）為代表，利用其低層（40m－80m）風(fēng)切變指數(shù)值推算不同輪轂高度處10分鐘風(fēng)速序列，討論推導(dǎo)結(jié)果與實際的差值、平均絕對誤差以及推導(dǎo)序列與實際序列的相關(guān)關(guān)系，將輪轂高度分布設(shè)為90m、100m、110m、120m、130m、140m及150m，推算結(jié)果如表2－表4所示。

表1 不同溫度下激光測量點用不同高度數(shù)據(jù)擬合的風(fēng)切變指數(shù)

表2 JG01測風(fēng)點低層的風(fēng)廓線對不同輪轂高度風(fēng)速的推導(dǎo)（alpha=0.182）

表3 JG02測風(fēng)點低層的風(fēng)廓線對不同輪轂高度風(fēng)速的推導(dǎo)（alpha=0.155）

三基激光測風(fēng)點在不同輪轂高度處的風(fēng)速推算結(jié)果顯示：（1）風(fēng)速推導(dǎo)差值基本是隨高度增加而增大，其中JG01的推導(dǎo)風(fēng)速低于實測值，JG02的推導(dǎo)風(fēng)速與實測風(fēng)速非常接近，JG03的推導(dǎo)風(fēng)速全部高于實測值；（2）平均絕對誤差總體是隨高度增加而增大，其中JG02的平均絕對誤差最大；（3）推導(dǎo)序列與實測序列的整體相關(guān)性較好，但相關(guān)系數(shù)隨著高度增加而降低，其中JG02相關(guān)關(guān)系相對最差。

表4 JG03測風(fēng)點低層的風(fēng)廓線對不同輪轂高度風(fēng)速的推導(dǎo)（alpha=0.155）

結(jié)論及討論

采用安徽省某個風(fēng)電場的測風(fēng)資料，系統(tǒng)地分析了40m－150m高度范圍內(nèi)，不同高度、不同層數(shù)風(fēng)速對擬合風(fēng)切變指數(shù)的影響和原因，以及對不同輪轂高度風(fēng)速推算結(jié)果的影響。

（一）風(fēng)切變指數(shù)擬合時采用的層數(shù)不同、高度不同擬合的結(jié)果有差異，差異受下墊面平均溫度影響顯著。平均溫度較高的情況下，隨著高度的增加以及參與擬合風(fēng)速層數(shù)的增多，風(fēng)切變指數(shù)結(jié)果越來越大；平均溫度較低時，隨著高度的增加以及參與擬合風(fēng)速層數(shù)的增多，風(fēng)切變指數(shù)結(jié)果越來越小。

（二）通常情況下，利用80m高度測風(fēng)塔的各層風(fēng)速數(shù)據(jù)擬合出來的風(fēng)切變指數(shù)推算120m及以下輪轂高度風(fēng)速的結(jié)果是基本可靠的，但隨著輪轂高度的增加，需要注意風(fēng)速推算誤差的增大。

（作者單位：中能電力科技開發(fā)有限公司）