MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)與復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量相關(guān)性研究

摘要：大小風(fēng)年對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量評(píng)估的影響是風(fēng)電場(chǎng)微觀選址應(yīng)著重考慮的必要環(huán)節(jié)，通?；谂R近測(cè)站長(zhǎng)期歷史觀數(shù)據(jù)或中尺度再分析數(shù)據(jù)開(kāi)展。目前對(duì)中尺度再分析數(shù)據(jù)與復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量相關(guān)性缺乏深入研究。本文通過(guò)分析某復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)MERRA2中尺度再分析數(shù)據(jù)及其運(yùn)行數(shù)據(jù)，量化研究了MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)與復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量之間的關(guān)系。對(duì)于測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)，MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)、風(fēng)電場(chǎng)平均機(jī)艙風(fēng)速以及風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量相互間都存在較強(qiáng)的相關(guān)性;MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)可有效推算風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量，其誤差在5.1%以?xún)?nèi)。相關(guān)研究成果可為塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正和大小風(fēng)年判別提供參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng); MERRA2;年發(fā)電量;機(jī)艙風(fēng)速

0前言

由運(yùn)行期年平均風(fēng)速與測(cè)風(fēng)年平均風(fēng)速差異（大小風(fēng)年）導(dǎo)致的發(fā)電量誤差較為顯著[1]。弱化大小風(fēng)年對(duì)發(fā)電量評(píng)估的影響是風(fēng)電場(chǎng)微觀選址應(yīng)著重考慮的必要環(huán)節(jié)，通常基于臨近測(cè)站長(zhǎng)期歷史觀數(shù)據(jù)和中尺度再分析數(shù)據(jù)如MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)集開(kāi)展[3]。目前對(duì)MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)與復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量相關(guān)性仍缺乏深入研究。

現(xiàn)有研究表明，中尺度再分析數(shù)據(jù)與風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔存在一定的相關(guān)性，可作為測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正和大小風(fēng)年判別的依據(jù)。陳振華等]研究了南岳測(cè)站風(fēng)速數(shù)據(jù)與幾種中尺度再分析數(shù)據(jù)的相關(guān)性，考察了中尺度再分析數(shù)據(jù)判別風(fēng)速大小年的可行性。李曉明等以湖北某山地風(fēng)電場(chǎng)為例開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)MERRA2數(shù)據(jù)與測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速序列的相關(guān)性較好，采用MERRA2數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行代表年訂正的結(jié)果合理可信。上述研究從風(fēng)速角度分析了MERRA2數(shù)據(jù)與測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，沒(méi)有深入探究MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)與風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量之間的關(guān)系。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)開(kāi)展了MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)與風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量的相關(guān)性研究。由于發(fā)電量折算的功率與風(fēng)速存在非線(xiàn)性關(guān)系，直接擬合MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)與發(fā)電量之間關(guān)系存在較大誤差，因此本文將發(fā)電量折算的功率通過(guò)風(fēng)力機(jī)功率曲線(xiàn)反推為來(lái)流風(fēng)速，以此探究MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)、機(jī)艙風(fēng)速和來(lái)流風(fēng)速之間的線(xiàn)性關(guān)系，結(jié)合功率曲線(xiàn)建立MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)與風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量之間的關(guān)系。

1測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)概況

測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)位于湖南省山地區(qū)域，場(chǎng)內(nèi)地形復(fù)雜，共安裝了25臺(tái)輪轂2MW風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)輪轂高度為80 m，機(jī)位點(diǎn)主要集中在風(fēng)資源條件較好的山脊上，該測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)采集到運(yùn)行數(shù)據(jù)包括2017年11月到2020年2月期間風(fēng)電場(chǎng)月平均機(jī)艙風(fēng)速和月發(fā)電量。

2MERRA2月平均風(fēng)速與風(fēng)電場(chǎng)月平均機(jī)艙風(fēng)速間的關(guān)系

MERRA2數(shù)據(jù)是美國(guó)國(guó)家航空航天局下屬的全球建模和同化辦公室 GMAO制作的一種再分析氣象數(shù)據(jù)。本文使用了風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域MERRA2在50m高度的逐小時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)。對(duì)于測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)，MERRA2月平均風(fēng)速與風(fēng)電場(chǎng)月平均機(jī)艙風(fēng)速之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，其相關(guān)性系數(shù)為0.69。

MERRA2月平均風(fēng)速與風(fēng)電場(chǎng)月平均機(jī)艙風(fēng)速的線(xiàn)性擬合關(guān)系為：

式中， 為MERRA2在第j月的平均風(fēng)速，由于MERRA2風(fēng)速高層為50m，風(fēng)力機(jī)輪轂高度為80m，因而上述關(guān)系式系數(shù)大于1。

3MERRA2月平均風(fēng)速與風(fēng)電場(chǎng)月發(fā)電量間的關(guān)系

由于平均機(jī)艙風(fēng)速和月發(fā)電量相關(guān)很強(qiáng)，本文借助功率曲線(xiàn)評(píng)估方法能夠建立月平均機(jī)艙風(fēng)速與發(fā)電量之間的關(guān)系。以 表示風(fēng)電場(chǎng)第j月的發(fā)電量，按每月30天算，則風(fēng)電場(chǎng)月發(fā)電量折算的功率分別為 。本文采用的功率曲線(xiàn)評(píng)估方法為[2]：（1）將功率數(shù)據(jù)通過(guò)功率曲線(xiàn)反推到來(lái)流風(fēng)速;（2）建立機(jī)艙風(fēng)速與來(lái)流風(fēng)速的線(xiàn)性關(guān)系，即機(jī)艙風(fēng)速傳遞函數(shù);（3）基于建立的機(jī)艙風(fēng)速傳遞函數(shù)和功率曲線(xiàn)，建立機(jī)艙風(fēng)速與功率之間的關(guān)系。本文基于方程（2）由MERRA2風(fēng)速推算機(jī)艙風(fēng)速，然后利用機(jī)艙傳遞函數(shù)和功率曲線(xiàn)。機(jī)艙風(fēng)速與來(lái)流風(fēng)速兩者的相關(guān)性達(dá)到0.91，擬合關(guān)系式為：

上述方法得到的功率曲線(xiàn)與觀測(cè)值吻合程度高，折算功率與擬合值的平均誤差為11.5kW，標(biāo)準(zhǔn)方差 為101.6kW。與之相比風(fēng)電場(chǎng)月平均機(jī)艙風(fēng)速與發(fā)電量折算的功率相關(guān)性更高，相關(guān)性系數(shù)0.92大于MERRA2的0.63，折算功率與擬合曲線(xiàn)的誤差平均值為8.1kW，標(biāo)準(zhǔn)方差 為47.1kW。

4MERRA2月平均風(fēng)速推算風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量

為了研究MERRA2月平均風(fēng)速對(duì)發(fā)電量評(píng)估的準(zhǔn)確性，本文將其預(yù)測(cè)的年發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量進(jìn)行對(duì)比（表1）。表1中MERRA2擬合的年發(fā)電量為一年中不同月份對(duì)應(yīng)的MERRA2月平均風(fēng)速推算的月發(fā)電量之和。MERRA2預(yù)測(cè)的年發(fā)電量最大相對(duì)誤差絕對(duì)值為5.1%，預(yù)測(cè)的四年平均發(fā)電量相對(duì)誤差絕對(duì)值僅為0.76%?？梢?jiàn)對(duì)與測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)，MERRA2月平均風(fēng)速能夠有效風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)MERRA2數(shù)據(jù)集和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，量化研究了MERRA2數(shù)據(jù)與風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量之間的關(guān)系。對(duì)于測(cè)試風(fēng)電場(chǎng)，MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)與風(fēng)電場(chǎng)平均機(jī)艙風(fēng)速以及風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量之間都存在較強(qiáng)的相關(guān)性，通過(guò)MERRA2風(fēng)速數(shù)據(jù)能夠有效預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量，其推算的年發(fā)電量誤差在5.1%以?xún)?nèi)，且四年發(fā)電量平均誤差僅為0.76%。相關(guān)研究成果可為塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)訂正和大小風(fēng)年判別提供參考。

參考文獻(xiàn)

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