文 | 蘇中瑩，李詩峰，曹勝平

隨著風電場大規(guī)模開發(fā)，可供開發(fā)的優(yōu)質(zhì)風能資源區(qū)域越來越少。在這種情況下，建設單位為了保證風電場投運后的發(fā)電收益與降低風電場前期的投資風險，要求對風電場投運后年預期發(fā)電量進行準確的評估，從而確保達到預期的收益目標。

目前，行業(yè)大多通過對某一年測風數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合風電場附近區(qū)域的長期數(shù)據(jù)，從而將該年風速訂正為風電場投運后年均風速，并據(jù)此得到風電場年預期的發(fā)電量。此時，風向數(shù)據(jù)在整個風電場投運期內(nèi)變化是可忽略的。然而，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，不僅不同測風年風速與該點同期風速數(shù)據(jù)的相關(guān)性存在差異（引起其訂正后年均風速也會有差異），而且不同測風年的風向數(shù)據(jù)也是變化的。

本文以國內(nèi)某復雜地形的風電場為例，通過對不同測風年數(shù)據(jù)計算分析，尋求其對投運后風電場預測年發(fā)電量的影響程度及對應的影響因素，并對風電場總體與單臺機組發(fā)電量的變化程度加以量化。建設單位可將該量化值作為敏感性因子考慮，從而降低風電場的前期投資風險。

場區(qū)描述

圖1 風電場項目示意圖

圖2 數(shù)據(jù)1風向與風能玫瑰圖

圖3 數(shù)據(jù)2風向與風能玫瑰圖

本文選取湖北的某風電場項目，如圖1所示。場區(qū)內(nèi)最高海拔為813m，山體大致為南北走向，地形起伏較為明顯，屬于復雜地形。該風電場測風數(shù)據(jù)已滿三年，現(xiàn)分別選取2012年3月1日－2013年3月1日（以下簡稱數(shù)據(jù)1，小風年）、2013年3月1日－2014年3月1日（以下簡稱數(shù)據(jù)2，大風年）、2014年3月1日－2015年3月1日（以下簡稱數(shù)據(jù)3，小風年）、2012年3月1日－2015年3月1日（以下簡稱數(shù)據(jù)4，平風年）測風數(shù)據(jù)，并分別對其風速進行長年代風速訂正，風向數(shù)據(jù)采用原始數(shù)據(jù)。場區(qū)內(nèi)擬安裝21臺風電機組，設立1座測風塔，位于風電場偏東位置。測風塔主風向與主風能方向集中，主風向集中在N、SSW及S方向，主風能集中在N、NNE、SSW方向；其測風數(shù)據(jù)的各時間段風向風能如圖2－圖5所示。

測風數(shù)據(jù)分析

選取數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3、數(shù)據(jù)4等四個時間段的測風數(shù)據(jù)及測風塔附近中尺度merra2數(shù)據(jù)，將中尺度merra2同期數(shù)據(jù)與上述4項數(shù)據(jù)分別進行線性相關(guān)，相關(guān)性均在65%以上，滿足實際工程需求。根據(jù)兩者的相關(guān)性，并結(jié)合國家規(guī)范《風電場風能資源測量方法GBT18709－2002》對各測風數(shù)據(jù)進行長年代風速訂正。數(shù)據(jù)1～數(shù)據(jù)4與中尺度merra2同期數(shù)據(jù)相關(guān)性及其長年代訂正后年均風速成果見表1。

由表1可見，測風數(shù)據(jù)存在如下現(xiàn)象：

（1）不同測風時段風速與中尺度merra2同期數(shù)據(jù)風速的相關(guān)性存在差異。相比平風年相關(guān)后年均風速，其風速相關(guān)性的差異最大值為0.04，最小值0.02，在合理范圍內(nèi)；

圖4 數(shù)據(jù)3風向與風能玫瑰圖

圖5 數(shù)據(jù)4風向與風能玫瑰圖

表1 數(shù)據(jù)1～數(shù)據(jù)4與中尺度merra2同期數(shù)據(jù)的相關(guān)性及對應長年代訂正后風速成果

表2 不同測風年數(shù)據(jù)的發(fā)電量結(jié)果對比

（2）對同一點的中尺度merra2數(shù)據(jù)與不同測風時段的測風數(shù)據(jù)進行長期數(shù)據(jù)訂正，其訂正后的風速存在差異。相比平風年風速，其小風年與大風年訂正后的年均風速偏差百分比最大值為1.72%，最小值為0.38%，在合理的范圍內(nèi)。并且同為小風年的數(shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)3相比平風年，其風速偏差百分比相同，其值均為1.72%。

發(fā)電量結(jié)果分析

一、發(fā)電量結(jié)果

（一）風電場總體發(fā)電量結(jié)果對比如表2所示，以數(shù)據(jù)4為基礎，將數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3與風電場總體發(fā)電量結(jié)果進行對比，得到如下結(jié)論：

（1）采用數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2及數(shù)據(jù)3得到的風電場總體發(fā)電量與數(shù)據(jù)4結(jié)果的偏差分別為3.6%、2.25%、1.19%。因此，選擇不同測風年對風電場總體發(fā)電量影響較大，其最大發(fā)電量結(jié)果偏差達到3.6%。

（2）由測風數(shù)據(jù)分析可知，數(shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)3相比平風年訂正后的風速偏差百分比相同，在不考慮其他因素的情況下，其發(fā)電量結(jié)果偏差應該保持一致。然而，數(shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)3得到風電場總體發(fā)電量偏差與風速偏差并不是一致的；很顯然，總體發(fā)電量結(jié)果還受到其他間接因素的影響。

（二）不同機位點發(fā)電量結(jié)果對比

如表3、圖6及圖7所示，以數(shù)據(jù)4風電場單臺機位點發(fā)電量為參考，將數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2及數(shù)據(jù)3的發(fā)電量與之對比分析，得到如下結(jié)論：

（1）不同測風年數(shù)據(jù)計算的單臺機位點發(fā)電量變化趨勢一致。這說明不同測風年數(shù)據(jù)訂正后年均風速與數(shù)據(jù)本身的固有特性一致。數(shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)3相比數(shù)據(jù)4，其風電場內(nèi)單臺機位點的發(fā)電量變化百分比趨勢是一致的，而數(shù)據(jù)2相比數(shù)據(jù)4，其風電場內(nèi)單臺機位點的發(fā)電量變化百分比明顯與數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)3差異較大。這是由測風數(shù)據(jù)本身的大、小風年風速固有特性決定的。

（2）數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3相比數(shù)據(jù)4計算的結(jié)果，其風電場內(nèi)單臺機位點的發(fā)電量變化百分比的最大值與最小值分別為6.76%與1.72%、9.9%與0.18%、3.52%與0.2%；其中，數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3相比數(shù)據(jù)4結(jié)果，單臺機位點發(fā)電量變化超過3.6%的分別有12臺、6臺、1臺。這說明不同測風年數(shù)據(jù)計算的單臺機位點的發(fā)電量結(jié)果差異較大，其中數(shù)據(jù)2的單臺機位點發(fā)電量的結(jié)果偏差存在最大值，其值為9.9%。

表3 不同機位點發(fā)電量結(jié)果偏差對比

圖6 數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2及數(shù)據(jù)3相對數(shù)據(jù)4的發(fā)電量變化

圖7 數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3及數(shù)據(jù)4發(fā)電量變化趨勢

（3）同為小風年的數(shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)3測風數(shù)據(jù)，其單臺機位點的發(fā)電量結(jié)果差異也較大，并且數(shù)據(jù)3訂正后年均風速明顯大于數(shù)據(jù)1。這說明在外圍數(shù)據(jù)建模均相同的情況下，訂正后年均風速的大小會對機位點發(fā)電量結(jié)果有影響。

二、發(fā)電量與風速

由數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2及數(shù)據(jù)3相對數(shù)據(jù)4的計算結(jié)果（表4、圖8及圖9）可得到如下結(jié)論：

（1）數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3及數(shù)據(jù)4的單臺機位點年均風速變化趨勢一致，這與其對應單臺機位點的發(fā)電量變化趨勢保持一致。這符合風能吸收原理，即風速與風能吸收成三次方的關(guān)系。在發(fā)電量計算過程中，風速對風能影響是最大的。

（2）數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2及數(shù)據(jù)3相對數(shù)據(jù)4的年均風速變化百分比大于2%的機位點數(shù)量分別是21臺、1臺、4臺。其對應年均風速變化百分比的最大值與最小值分別為2.06%與3.38%、0%與3.58%、0.6%與2.25%。由數(shù)據(jù)1計算的所有單臺機位點年均風速變化均大于2%，主要是由訂正后年均風速引起的，并且此結(jié)果與數(shù)據(jù)1的風電場總體發(fā)電量結(jié)果一致。由數(shù)據(jù)2計算的單臺風速變化最大、其發(fā)電量結(jié)果變化也最大的機位點為WTG13，風速變化趨勢與發(fā)電量變化趨勢一致。

（3）由圖8可見，數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2及數(shù)據(jù)3相對數(shù)據(jù)4的變化趨勢明顯存在差異，數(shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)3風速變化趨勢一致，而數(shù)據(jù)2風速變化趨勢明顯與數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)3差異較大，主要是由于數(shù)據(jù)2為大風年測風數(shù)據(jù)，但此結(jié)果與其對應的發(fā)電量變化趨勢是一致的。而同為小風年的數(shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)3，其風速的變化趨勢與對應的發(fā)電量結(jié)果變化趨勢一致。

表4 機位點風速偏差對比

圖8 數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2及數(shù)據(jù)3相對數(shù)據(jù)4的風速變化

圖9 數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3及數(shù)據(jù)4機位點風速變化趨勢

三、發(fā)電量與風向

發(fā)電量計算結(jié)果是在本風電場年風向數(shù)據(jù)變化忽略不計的情況下，依據(jù)訂正后的風速與原始風向數(shù)據(jù)，結(jié)合風電機組技術(shù)參數(shù)，利用風能資源評估軟件進行流場模擬得到的。然而，因風向與風速數(shù)據(jù)處理的原則不同，分析發(fā)電量與風向的關(guān)系時，風向數(shù)據(jù)按連續(xù)測風塔年風向變化百分比考慮。由圖10、圖11、圖12及圖13可見：

（1）不同測風年的風向是變化的。數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3及數(shù)據(jù)4的主風向與次風向分別為N與SSW、N與SSW、N與S以及N與SSW、S。而且數(shù)據(jù)1相對數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)2相對數(shù)據(jù)3及數(shù)據(jù)3相對數(shù)據(jù)1在主風向變化百分比分別達到6.09%、5.35%、2.56%。

（2）不同測風年的風能是變化的。數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3及數(shù)據(jù)4的主風能與次風能分別為N與NNW、N與NNE、N與NNE以及N與NNE。而且數(shù)據(jù)1相對數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)2相對數(shù)據(jù)3及數(shù)據(jù)3相對數(shù)據(jù)1在主風能變化百分比分別達到13.83%、11.46%、10.23%。

綜上，不同測風年的風向與風能是其固有特征，并且不同的測風年數(shù)據(jù)對應的風向與風能也是發(fā)生變化的。在實際流場模擬過程中，不同測風年風向會對機位點風速造成影響。主要原因為流場模擬是考慮各個風向扇區(qū)下風速值加權(quán)平均得到的。其中任一扇區(qū)風向百分比發(fā)生變化，必將會引起風向加權(quán)值變化，進而影響機位點風速值。

四、發(fā)電量與威布爾分布

威布爾分布是體現(xiàn)風電場風速、風頻分布的主要特征參數(shù)。而機位點發(fā)電量是統(tǒng)計該點風速風頻分布情況，結(jié)合已知的功率曲線值得到的?，F(xiàn)選取不同測風年數(shù)據(jù)計算單臺機位點的發(fā)電量變化較大4臺機組WTG06、WTG07、WTG12、WTG13，并對其機位點威布爾的風頻分布進行對比分析，其詳細機位點風速及發(fā)電量結(jié)果見表5，威布爾風頻分布情況見圖14。

圖10 數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3及數(shù)據(jù)4的各扇區(qū)年風向變化

圖11 數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3及數(shù)據(jù)4的各扇區(qū)年風能變化

圖12 數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2及數(shù)據(jù)3的各扇區(qū)年風向變化

圖13 數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2及數(shù)據(jù)3的各扇區(qū)年風能變化

表5 WTG06、WTG07、WTG12、WTG13機位點風速與發(fā)電量對照表

圖14 4個機位點風頻分布

由表5與圖14可得到如下結(jié)論：

（1）WTG06、WTG07、WTG12、WTG13機組機位點風頻分布變化趨勢是一致的。但數(shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)4風頻分布曲線最為接近，數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3與數(shù)據(jù)4的風頻分布曲線差異最大。

（2）通過對WTG06、WTG07 WTG12、WTG13機位點風速與發(fā)電量分析不難發(fā)現(xiàn)，最為明顯的結(jié)果是數(shù)據(jù)2與數(shù)據(jù)3經(jīng)流場模擬后此4臺機位點風速差異分別0.02m/s、0m/s、0.01m/s、0.21m/s，其對應的發(fā)電小時數(shù)結(jié)果偏差達到113h、100h、96h、240h。這說明機位點發(fā)電量除了受風速影響外，還受機位點風頻分布的影響。

圖15 主風向與主風能風廓線

其他參數(shù)分析

如圖15所示，選取本風電場主風向與主風能扇區(qū)的風廓線，并對其進行分析?？砂l(fā)現(xiàn)存在如下現(xiàn)象：

（1）不同測風年數(shù)據(jù)經(jīng)流場模擬前后風廓線變化趨勢是一致的，這說明訂正后測風數(shù)據(jù)保持了原測風數(shù)據(jù)的固有特性。

（2）不同測風年數(shù)據(jù)在主風向與主風能扇區(qū)上風廓線所呈現(xiàn)同一海拔高度處的風速差較大。年均風速較大的數(shù)據(jù)3在流場模擬后在主扇區(qū)中相同的海拔高度處風速不一定是最大值。如NNE扇區(qū)中相同海拔高度處，數(shù)據(jù)3得到的風速僅高于數(shù)據(jù)1得到的風速，低于數(shù)據(jù)2與數(shù)據(jù)4得到的風速。這說明訂正后測風數(shù)據(jù)風速大的，其流場模擬后風速不一定是最大值。這是由數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)3及數(shù)據(jù)4中風向數(shù)據(jù)存在差異引起的。

結(jié)語

通過對實際工程案例進行分析表明，在外圍數(shù)據(jù)建模相同的情況下，不同測風年數(shù)據(jù)對風電場總體發(fā)電量及單臺機位點的發(fā)電量結(jié)果影響很大。小風年與大風年測風數(shù)據(jù)相比平風年的風電場整體發(fā)電量偏差分別達到3.6%、2.25%，而單臺機組機位點發(fā)電量偏差最大值達到6.76%、9.9%。不同測風年測風數(shù)據(jù)結(jié)果對風電場總體發(fā)電量影響可能會導致該風電場建設項目的棄用；而對單臺機位點影響則會導致該機位點的棄選，從而影響風電場總體容量。此外，本文研究了不同測風年數(shù)據(jù)年風向、單臺機組機位點風頻分布情況及與同期數(shù)據(jù)相關(guān)性等問題，從側(cè)面驗證了不同測風年數(shù)據(jù)對風電場發(fā)電量推算的影響，并將不同測風年數(shù)據(jù)對發(fā)電量影響以數(shù)值形式加以體現(xiàn)，為今后準確地預測風電場全生命周期內(nèi)發(fā)電量收益提供了理論依據(jù)。