典型地域的風(fēng)向特征研究

文 | 鄧星

典型地域的風(fēng)向特征研究

文 | 鄧星

風(fēng)電場(chǎng)前期規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，風(fēng)速的大小及變化特征是開(kāi)發(fā)商最為關(guān)注的部分，風(fēng)向的重要性往往受到忽視。風(fēng)向的分布及變化特征對(duì)風(fēng)電場(chǎng)前期的測(cè)風(fēng)選址、設(shè)計(jì)過(guò)程中的機(jī)位排布乃至具體機(jī)位點(diǎn)的尾流損失和發(fā)電量計(jì)算都有指導(dǎo)作用。本文以江蘇、云南兩地為例，討論不同地域的風(fēng)向變化特點(diǎn)，從不同角度研究風(fēng)向波動(dòng)特點(diǎn)和變化特征，希望為風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供更多啟示。

資料及方法

江蘇、云南兩省都是我國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)大省。截至2015年底，江蘇省累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量412萬(wàn)千瓦，已核準(zhǔn)容量901萬(wàn)千瓦；云南省風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量412萬(wàn)千瓦，已核準(zhǔn)容量939萬(wàn)千瓦，風(fēng)電發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。江蘇位于我國(guó)東部沿海，具有海洋性和大陸性氣候雙重影響的氣候特征；云南地處西南邊陲，屬于低緯度高原。兩省在行業(yè)前景和風(fēng)能資源特征上都極具代表性，本文選擇江蘇和云南兩省典型測(cè)風(fēng)塔為代表，展開(kāi)討論。

一、測(cè)風(fēng)塔情況

測(cè)風(fēng)塔1#位于江蘇省大豐市，自2010年8月開(kāi)始測(cè)風(fēng)，數(shù)據(jù)截至2017年4月，塔高80米，海拔高度1米；測(cè)風(fēng)塔2#位于云南省曲靖市，自2010年11月開(kāi)始測(cè)風(fēng)，數(shù)據(jù)截至2017年2月，塔高70米，海拔高度2210米。本文以2011年至2016年共6年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)比分析，風(fēng)向所在高度均為測(cè)風(fēng)塔的最高層。

二、風(fēng)向的表示

氣象上把風(fēng)吹來(lái)的方向確定為風(fēng)的方向。風(fēng)向的測(cè)量單位，用方位表示。陸地上一般用16個(gè)方位表示，同時(shí)也用角度表示風(fēng)向，把圓周分成360度，北風(fēng)0度，東風(fēng)90度，南風(fēng)180度，西風(fēng)270度，其余風(fēng)向都由此計(jì)算出來(lái)。風(fēng)向頻率表示為：風(fēng)向頻率=某風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)/風(fēng)向的總觀測(cè)次數(shù)×100%。

風(fēng)向頻率玫瑰圖是根據(jù)某一地區(qū)多年平均統(tǒng)計(jì)的各個(gè)風(fēng)向和風(fēng)速的百分?jǐn)?shù)值，按一定比例繪制，風(fēng)電中一般用十六個(gè)羅盤方位表示。玫瑰圖上所表示風(fēng)的吹向（即風(fēng)的來(lái)向），是指從外面吹向地區(qū)中心的方向。

三、風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)偏差

風(fēng)電行業(yè)中，風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)偏差表征著風(fēng)向的變化頻率和幅度，也是大氣邊界層湍流穩(wěn)定度的重要指標(biāo)之一。

圖1 兩基測(cè)風(fēng)塔的相對(duì)位置示意

標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）也被稱為標(biāo)準(zhǔn)偏差，用σ表示，反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，這些值偏離平均值就越少，公式為：其中，N為樣本總數(shù)，xi為某一時(shí)刻數(shù)值，為所有樣本平均值。

風(fēng)向的分布特征分析

一、風(fēng)向與風(fēng)能的分布特征

兩基測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)向分布特征顯著。如圖2、3所示，江蘇1#結(jié)果顯示該地區(qū)主風(fēng)向不顯著，自北向（N）順時(shí)針至東南向（SE）各個(gè)扇區(qū)的風(fēng)向頻率差異并不顯著，主要風(fēng)向的分布范圍跨度很廣，頻率最高的北偏東（NNE）和東偏南（ESE）扇區(qū)存在90°偏差，比例也僅為13%，主要是受東亞季風(fēng)環(huán)流以及海陸熱力差異的影響；云南2#結(jié)果顯示該地區(qū)主風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，非常集中且穩(wěn)定，西南風(fēng)（SW）扇區(qū)內(nèi)風(fēng)向出現(xiàn)概率超過(guò)40%，主要是受大區(qū)域背景的西南季風(fēng)影響。

兩基測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)能分布特征也很顯著。如圖4、5所示，江蘇1#結(jié)果顯示該地區(qū)主風(fēng)能方向與主風(fēng)向并不一致，主風(fēng)能方向?yàn)楸保∟）和北偏東（NNE）；云南2#結(jié)果顯示該地區(qū)主風(fēng)能方向與主風(fēng)向非常一致。

二、不同風(fēng)向下的風(fēng)速分布特征

圖2 江蘇1#測(cè)風(fēng)塔六年累計(jì)風(fēng)向玫瑰圖

圖3 云南2#測(cè)風(fēng)塔六年累計(jì)風(fēng)向玫瑰圖

圖4 江蘇1#測(cè)風(fēng)塔六年累計(jì)風(fēng)能玫瑰圖

圖5 云南2#測(cè)風(fēng)塔六年累計(jì)風(fēng)能玫瑰圖

圖6 江蘇1#測(cè)風(fēng)塔各扇區(qū)的風(fēng)速分布

圖7 云南2#測(cè)風(fēng)塔各扇區(qū)的風(fēng)速分布

統(tǒng)計(jì)兩基測(cè)風(fēng)塔在不同扇區(qū)的風(fēng)速分布情況，如圖6中測(cè)風(fēng)塔1#的結(jié)果顯示，該地區(qū)占比最大的是6－12m/s風(fēng)速段，其次為0－6m/s風(fēng)速段，兩風(fēng)速段的分布情況也與主風(fēng)向吻合，而比重較少的12－18m/s風(fēng)速段主要集中在北向（N）和北偏東（NNS）方向，其次為東北（NE）方向，該風(fēng)速段分布情況與風(fēng)能分布特征吻合，故可判斷主要是由于12－18m/s風(fēng)速段在特定扇區(qū)的集中分布，導(dǎo)致了江蘇沿海地區(qū)主風(fēng)向與主風(fēng)能方向的不一致，在風(fēng)電機(jī)組排布時(shí)，不應(yīng)僅考慮主風(fēng)向，同樣需要考慮主風(fēng)能方向可能導(dǎo)致的尾流影響。圖7中測(cè)風(fēng)塔2#的結(jié)果顯示，該地區(qū)占比最大的是5－10m/s風(fēng)速段，其次為10－15m/s風(fēng)速段，兩風(fēng)速段的分布情況與主風(fēng)向吻合，而與江蘇省典型地區(qū)不同的是，該地區(qū)在15－20m/s的高風(fēng)速段，其分布扇區(qū)仍然在西南（SW）和西偏南（WSW）方向，能夠保持與主風(fēng)向基本一致，故該地區(qū)主風(fēng)向與主風(fēng)能方向基本統(tǒng)一，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的排布更為有利。

風(fēng)向的變化特征分析

一、風(fēng)向的年變化特征

統(tǒng)計(jì)兩基測(cè)風(fēng)塔自2011年至2016年各年的風(fēng)向變化情況，結(jié)果如圖8、圖9所示。

江蘇省典型地區(qū)的風(fēng)向分布形態(tài)雖然各年也基本保持在0°－160°范圍內(nèi)，但具體的主風(fēng)向角度及比例在各年皆有不同，如2011年北向（N）、東向（E）和東偏北（ENE）樣本的比例較高，而2012年、2014年、2015年、2016年北向（N）樣本比例偏低，2013年?yáng)|向（E）和東偏北（ENE）方向樣本數(shù)量較少，說(shuō)明該地區(qū)的風(fēng)向分布形態(tài)可能存在一定的年際變化。而云南省典型地區(qū)的風(fēng)向年分布形態(tài)非常穩(wěn)定，由于主風(fēng)向非常集中，故主風(fēng)向扇區(qū)的分布和比例在不同年份也基本一致。

圖8 江蘇1#測(cè)風(fēng)塔各年玫瑰圖

攝影：何紅安

圖9 云南2#測(cè)風(fēng)塔各年玫瑰圖

二、風(fēng)向的月變化特征

統(tǒng)計(jì)兩基測(cè)風(fēng)塔全部測(cè)風(fēng)時(shí)間段各月的風(fēng)向變化，結(jié)果如圖10、11所示。測(cè)風(fēng)塔1#結(jié)果顯示該地區(qū)風(fēng)向有顯著的月變化，1－3月份北向風(fēng)（N）盛行，4月份風(fēng)向轉(zhuǎn)換，直至7月份以偏南風(fēng)為主，8月份風(fēng)向再次開(kāi)始轉(zhuǎn)換，經(jīng)東向風(fēng)（E）為主的一段時(shí)期過(guò)渡，又變?yōu)槠憋L(fēng)盛行，基本為冬季偏北風(fēng)，夏季偏南風(fēng)，受東亞典型的東南季風(fēng)環(huán)流影響顯著。測(cè)風(fēng)塔2#結(jié)果顯示該地區(qū)也存在一定的月變化，云南地區(qū)特殊之處在于會(huì)受到西南季風(fēng)和東南季風(fēng)的交替影響，8月份開(kāi)始，東南季風(fēng)較強(qiáng)時(shí)，云南典型地區(qū)將進(jìn)入東南季風(fēng)影響范圍，導(dǎo)致8月至10月份該地區(qū)偏東、偏南風(fēng)比例增大，而其月份主要在西南季風(fēng)控制之下。

三、風(fēng)向SD的變化特征

圖10 江蘇1#測(cè)風(fēng)塔各月的玫瑰圖（從左至右依次為1月-12月份）

圖11 云南2#測(cè)風(fēng)塔各月的玫瑰圖（從左至右依次為1月-12月份）

圖12 1#和2#測(cè)風(fēng)塔逐月風(fēng)向SD序列（2011年-2016年）

圖13 江蘇1#和云南2#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向變化8°持續(xù)時(shí)長(zhǎng)分布（2011年-2014年）

風(fēng)向SD主要體現(xiàn)風(fēng)向變化的幅度和變化的頻率，如圖12所示，兩基測(cè)風(fēng)塔的平均風(fēng)向SD的逐月變化序列差異顯著。江蘇典型地區(qū)雖然主要風(fēng)向范圍較廣、主導(dǎo)風(fēng)向不清晰，但除了4月、8月等風(fēng)向轉(zhuǎn)化季節(jié)外，其他月份風(fēng)向變化幅度不大，變化更溫和；而云南典型地區(qū)風(fēng)向SD變化特征顯著，雖然主風(fēng)向穩(wěn)定，但基本上每個(gè)自然年內(nèi)都存在著變化的波峰和波谷，并且波峰多出現(xiàn)在夏季，尤其是8月份；波谷多出現(xiàn)在冬季，在12月份出現(xiàn)的頻率較高，說(shuō)明該地區(qū)的風(fēng)向變化，與冬季相比，夏季變化的頻率和變化幅度都更高。

四、風(fēng)向變化特征對(duì)偏航的影響

一般而言，在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的控制系統(tǒng)中，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組偏航的控制策略是：持續(xù)一定時(shí)間內(nèi)，以當(dāng)時(shí)風(fēng)向偏離機(jī)艙方位8°作為偏航程序的啟動(dòng)條件。統(tǒng)計(jì)兩座測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)向在時(shí)間序列上8°范圍保持的時(shí)間長(zhǎng)度，為這兩種風(fēng)向特征下的區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)控制策略制定提供參考和依據(jù)。

分別統(tǒng)計(jì)兩個(gè)地區(qū)在2011年－2014年內(nèi)各年風(fēng)向變化幅度低于8°狀態(tài)保持在20min、30min以及30min以上時(shí)間所對(duì)應(yīng)的概率，結(jié)果如圖13所示。風(fēng)向在8°范圍內(nèi)變化的持續(xù)時(shí)間，在20min和30min以內(nèi)時(shí)，兩個(gè)地區(qū)比例比較接近；持續(xù)時(shí)間在30min以上時(shí)，江蘇地區(qū)顯著高于云南地區(qū)，連續(xù)4年全部超過(guò)了60%，換言之，就全年而言，江蘇地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組偏航控制有60%的概率是能持續(xù)在30min以上風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定對(duì)風(fēng)、持續(xù)發(fā)電的狀態(tài)，而云南地區(qū)由于風(fēng)向變化范圍控制在8°內(nèi)持續(xù)時(shí)間相較而言更短，穩(wěn)定性稍有欠缺。統(tǒng)計(jì)結(jié)果與前一小節(jié)對(duì)兩個(gè)地區(qū)風(fēng)向SD變化特征的分析結(jié)果是基本吻合的。

結(jié)論

本文通過(guò)研究云南、江蘇兩個(gè)典型地區(qū)典型測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)向分布和變化特征，希望可以為類似地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、機(jī)組控制策略的制定提供一定的參考和借鑒。

（1）江蘇省典型地區(qū)主風(fēng)向分布相對(duì)離散，且主風(fēng)能方向與主風(fēng)向不一致；云南典型地區(qū)主風(fēng)向顯著且集中，主風(fēng)能方向與主風(fēng)向一致。

（2）江蘇典型地區(qū)風(fēng)向各年分布存在差異，云南典型地區(qū)基本一致；兩地區(qū)風(fēng)向都存在一定的逐月變化特征，江蘇典型地區(qū)變化更為明顯。

（3）江蘇典型地區(qū)的風(fēng)向波動(dòng)頻率和幅度較之云南典型地區(qū)都低。

（4）云南典型地區(qū)風(fēng)向變化范圍控制在8°以內(nèi)的時(shí)間概率低于江蘇地區(qū)，換言之，若按8°的風(fēng)向差作為偏航條件，則云南地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組偏航動(dòng)作比江蘇地區(qū)更為頻繁。

（作者單位：中能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司）