風電場測風和風資源評估

1、風電場測風和風資源評估,薛 桁 中國氣象科學研究院2011.10,一.風電場的測風,測風塔選址測風塔選址原則測風塔位置的選擇要力求每個測風點位置具有本區(qū)域風能資源的代表性。在代表性可保證的條件下還應兼顧人員比較容易到達，盡量選取無線傳輸信號較好，以使觀測活動具備較好的可操作性。）此外, 測風塔選址還應避開不適宜建設風電場的區(qū)域。如基本農田、經濟林地、自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)、礦產壓覆區(qū)、墓地、居民點、軍事禁區(qū)、規(guī)劃

2、建設區(qū)等，并注意環(huán)境保護與水土保持等。,,技術要求針對詳查區(qū)域的不同地形特點，特提出以下相應的技術要求：地形劃分地形可劃分為平坦地形和復雜地形兩大類。,地形,平坦地形指地形起伏不大，周圍4-6km半徑范圍內，特別是盛行風上風方向地形相對高差一般小于50m，坡度小于3°。平坦地形可包括高原臺地和平原等。復雜地形可以分為隆升地形和低凹地形。復雜地形包括山地、丘陵等，復雜地形流場復雜，特別要注意在復雜地形上的選址問題。,不同

3、地形的選址技術要求,(1).高原臺地和平原 高原臺地指海拔高度較高（1000m以上）的高原地區(qū)平坦地形，面積范圍比較大。高原臺地大致可分為大片的地勢平坦荒漠草原（或戈壁）和較大面積局地隆起的臺地?；哪菰ɑ蚋瓯冢┰O置一個測風點的詳查區(qū)，測風點應選在冷空氣南下的路徑上（結合第三次風能普查和調研成果），位置應選擇在整個區(qū)域的中心部位偏主導風向一側。設置N個（2個以上）測風塔的區(qū)域，每個測風點基本覆蓋詳查區(qū)域的面積1/N。對局部隆起

4、的臺地（高出周圍50～100m左右的區(qū)域），應首先從地形圖上找出臺地的范圍。設置一個測風點的詳查區(qū)，選擇中心偏主導風向側具有代表性的位置設置測風塔；對應設置N個測風塔的詳查區(qū)，每個測風點基本覆蓋詳查區(qū)域的面積1/N，適當考慮向上、下游延伸，距臺地邊緣應保持1～2km的距離。平原詳查區(qū)的測風塔位置選址主要考慮測風塔面積代表性，一般測風塔在詳查區(qū)域呈均勻分布。高原臺地和平原測風塔位置選址原則是將測風塔設于中心位置或地形略高、空曠的地方，

5、下墊面植被較一致。,,(2).淺山丘陵淺山丘陵屬復雜地形，是指那些較大范圍內相對高差不大，在50～100m左右。淺山丘陵區(qū)，地形以丘陵片狀分布為主，或是從平原向山地的過渡帶。淺山丘陵地形詳查區(qū)可能有兩種情況：一是詳查區(qū)為一片相對孤立的丘陵區(qū)，二是詳查區(qū)為大片丘陵區(qū)中的一部分。詳查區(qū)位于平原向山地的過渡帶中按淺山丘陵地形詳查區(qū)處理。在孤立的丘陵詳查區(qū)，測風塔位置盡量選擇較為連貫且面積相對較大的丘陵上；在處于大片丘陵區(qū)中的詳查區(qū)，測

6、風塔位置要選擇相對較長較寬的丘陵上。對應設置N個測風塔的詳查區(qū)，每個測風點基本覆蓋詳查區(qū)域面積的1/N。盡量選擇與當地盛行風向近似垂直的丘陵上布塔。如選不出與當地盛行風向近似垂直的丘陵，塔址必須選在與當地盛行風向近似平行的丘陵時，要將塔址選在丘陵中央，確認測風塔位置周圍確實較為開闊，保證盛行風方向不受阻擋。避免將測風塔位置選在對氣流有壓縮效應的地方。盡量不要選擇丘陵頂部面積相對較小，與周圍相對高差較大，拉線坑不易設置的位置。初選

7、測風點的海拔高度應考慮設在未來風電場平均海拔高度或偏高一些。在盛行風方向上沒有明顯高出測風點的丘陵。,,(3).山地山地是典型的復雜地形，山地相對高度在100m以上，山體較大，山脊較長，連綿起伏。山地詳查區(qū)地形較為復雜，通常是某一山體的一部分，一般高于周圍的山體。這類詳查區(qū)測風塔位置選擇除要參考淺山丘陵測點選址的技術要點外，還要注意以下幾方面：山地詳查區(qū)測風塔位置應選在范圍較大并適合安裝風電機組的山體上；高度應比未來可能風電場的平

8、均高度略高；測風塔應選擇在與盛行風向近似垂直的山脊上，測風塔盛行風方向上游避免有影響該位置風速的山體。,,（4）沿海地形平坦的沿海詳查區(qū)，測風塔位置盡量位于海岸線向陸地延伸1km范圍之內、防風林的外側（向海）。地形復雜的詳查區(qū)視地形的不同分別參照(2)或(3)節(jié)要求執(zhí)行。設置垂直于海岸線剖面觀測的詳查區(qū)，觀測剖面由3座塔組成，其中潮間帶（或岸邊）設一座，向內陸500米、1500米各設一座。海岬地區(qū)測風塔選點應視海岬與盛行風向的夾角

9、和地形狀況而定，測風塔盡量選在與盛行風向近似垂直的地方，沖積型岸帶參照平坦地形原則選址，山地岸帶參照丘陵型測風塔選址原則選址。島嶼測風塔選址，多數情況是一個塔要代表周圍幾個島嶼的范圍，因此應盡量選在區(qū)域中心、風能資源測量具有代表性的島嶼，其地點可參照陸地平坦或丘陵型地形的選址原則。,測風塔選址準備工作,1. 組建選址（踏勘）小組選址（踏勘）小組由技術人員（觀測、氣候、施工、工程評價方面等）、地方人員、向導等組成。2. 準備現場勘察

10、設備和資料包括地形圖、分縣地圖冊及擬定詳查區(qū)域標注了初步選點位置的大比例尺地形圖（1：50000）、遙感圖、手持GPS、指南針、手持測風儀、照相機（或攝象機）、越野車、交通圖、有關規(guī)劃圖紙、必要的野外防護裝備等。3. 圖上初選根據詳查區(qū)域范圍的大小，在地形圖上，根據本詳查區(qū)氣象站年平均風速、盛行風向，本省風能資源分布和區(qū)劃，以及已建風電場及測風塔測風結果，初步劃定測風塔位置大體范圍。在1：50000地形圖上，根據地形狀況，確定多個

11、備選測風塔位置，即備選位置數量多于正式設點數量。4.制定踏勘方案踏勘前應做出踏勘方案，包括踏勘計劃、路線、時間、地點、準備參加的單位和人員，制定必要的應急預案。踏勘前必須與當地部門取得聯(lián)系，得到當地的配合。,測風塔選址現場踏勘,1.現場勘查初定觀測點位置根據圖上初步選點方案，進行現場選點踏勘，以確定擬選觀測點的合理性兼顧工程可操作性、觀測實施的可行性等。野外踏勘，應查看并記錄踏勘區(qū)域地形特點：地形、面積、山地走向、丘陵帶長度，

12、谷地的寬窄、樹（樹形、樹種）、草、地表等，測量測風點的經緯度等。根據選址技術原則及選址的技術要點初定觀測點位置（包括備份測點）。①確認滿足建塔施工條件的位置上，設置較醒目的標志，以便于測風塔建設單位隨后施工時辨認；②在大比例尺地形圖上標注選定觀測站位置、編號（或名稱）、經緯度、海拔高度、觀測塔高度、儀器設置層次等信息；③拍攝選定觀測站周邊環(huán)境實景照片并存檔。④施工搬運難度估計：機動車可到達的位置，需要人工搬運的距離、地形、是否有

13、人行小道、需要專門修筑的簡易施工道路長度等；海島場址的船運距離、是否已有簡易碼頭等。⑤選點日記：描述擬選觀測點的周邊環(huán)境; 地形狀況：山頂（脊）長度、寬度、平整度、山體或海岸落差等地質狀況：巖石、沙地、土壤層厚度等，為測風塔基礎設計提供參考；植被狀況：平均高度、密度、樹種或作物種類等。2.測風點確定在全面踏勘現場，分析擬選測風塔代表性和觀測環(huán)境，評估實施觀測活動可行性基礎上，分析、評估各初定觀測點各種信息和優(yōu)劣，根據安排的測風塔數

14、量，對備選點進行篩選，最后確定各測風塔位置。,測風塔的代表性,不同等級地形測量活動的要求,建立測量地點文檔,測風塔確切的位置測風塔周圍環(huán)境的文件附近障礙物距離，主要性能和維度的具體說明地形資料：現場描述或照片資料和現場周圍的典型要素現場表示山志學和崎嶇狀況的地形圖可能的衛(wèi)星和航空相片,二、 風測量,測風項目按照《風電場風能資源測量方法》標準規(guī)定，風電場風的測量包括：逐時10分鐘平均風速、風向、每日極大風速、風的湍流強度等

15、測風設備1.傳統(tǒng)測風儀 風杯式 螺旋漿式 ……2.新型測風儀 超聲波測風儀 多普勒測風雷達 風廓線儀 …….對測風設備的要求測風設備的檢定測量范圍 誤差 采樣時間與間隔 距離常數 可靠性……,一些傳統(tǒng)測風儀,風電場常用測風儀 如NRG測風儀,超聲波測風儀,多普勒風廓線儀,多普勒風廓線儀測風與鐵塔測風的對比 (摘

16、自劉薇文章:Practical Research on Portable Instruments for Wind Characteristics Investigation Using a Mini Doppler SODAR),風電場測風塔的設置要求,風電場測風塔設置地點應設在能代表本風電場范圍風況的地方，在未來擬布風機的地區(qū)設置主塔1-2座，在風場范圍四個（至少二個）邊緣各設一個輔助塔，另外在有特殊需要處還需設置必要的輔助塔。塔

17、周圍要求盡量做到氣象臺站正規(guī)測風場地的環(huán)境要求（水體邊設場除外）。 觀測塔主塔要求設置4-5層測風，從10米到風機輪轂高度配置（目前一般到70-100米），輔助塔可以設10、20、40米高度三層。需要時還可設若干10米測風桿以輔助測量。,測風儀,測風儀吊桿應從盛行風向偏移90度12個月后應對測風儀重新校準,溫度和氣壓測量,傳感器的安裝應在測風塔10m高度以內,三、 風電場風資源評估 風電場風能資源評估方法

18、 GB/T18710-2002,,測風數據要求氣象站長期測風數據 30年逐年、月平均風速 累年平均氣溫、氣壓 極端記錄氣象站同期逐小時風速風向數據測風數據處理數據驗證 完整性 合理性 不合理數據和缺測數據的處理 有效數據完整率

19、---90%數據訂正 訂正到反映長期平均水平的代表年數據處理 數據驗證訂正及計算風資源參數,風電場測風數據的整理 氣象臺站測風數據與風電場測風數據的比較,風電場測風數據需要與鄰近氣象臺測風數據進行比較，以便獲得長年代風電場風資源的多年平均狀況（代表年訂正）。相鄰氣象臺站應選取盡可能接近、地形及天氣氣候背景條件相似的臺站，以平坦地形地區(qū)較好，有條件可選多個氣

20、象臺站更好(多元回歸)。 訂正的長年狀況方法可按“風電場風能資源評估方法”標準的附錄A進行。,測風數據的驗證,完整性檢驗：數量，數據數量應等于預期記錄的數據數量；時間順序，數據的時間順序應符合預期的開始、結束時間，中間應連續(xù)。 合理性檢驗：包括記錄值的合理范圍、相鄰高度記錄值的合理相關性及記錄值的合理變化趨勢等。,測風數據的處理,要求列出所有的合理數據和缺測數據及其發(fā)生時間；對不合理數據進一步判別，挑出

21、符合實際情況的有效數據，回歸原數據組；將備分或可供參考的傳感器同期記錄數據，經分析處理，替換已確認為無效的數據或填補缺測的數據。,,數據分析內容平均風速和風功率密度風速和風能頻率風向頻率和風能密度方向分布風切變指數湍流強度參考判據 風況 風功率密度 方向分布 日和年變化 湍流強度50年一遇最(極)大風速 低溫 積冰 雷暴 鹽霧 沙塵等,長期評估（代表年訂正）,測量-相關-預測（MCP）參考數

22、據時間長度：30年具有代表性，受可靠性和連貫性的限制，10年的時間段通常被認為是長期具有代表性的和可靠性的較好選擇。,測風數據長年訂正條件和方法,條件 同期測風結果相關性好 30年以上規(guī)范的測風記錄 地形相似 距風場較近訂正方法 按十六個方位作風速相關,進行差值訂正 可選鄰近多個氣象站作多元相關注意防止非自然因素的風速記錄下滑進行的錯誤訂正,,氣象臺站測風數據與風電場測風數據的比較

23、 風電場測風數據需要與鄰近氣象臺測風數據進行比較，以便獲得長年代風電場風資源的多年平均狀況。相鄰氣象臺站應選取盡可能接近、地形及天氣氣候背景條件相似的臺站，以平坦地形地區(qū)較好，有條件可選多個氣象臺站更好。,將風場短期測風數據訂正為代表年風況數據的方法,1）作風場測站與對應年份的長期測站各風向象限的風速相關曲線。某一風向象限內風速相關曲線的具體做法是：建一直角坐標系，橫坐標軸為長期測站風速，縱坐標軸為風場測站的風速。取風場

24、測站在該象限內的某一風速值（某一風速值在一個風向象限內一般有許多個，分別出現在不同時刻）為縱坐標，找出長期測站各對應時刻的風速值（這些風速值不一定相同，風向也不一定與風場測站相對應），求其平均值作為橫坐標即可定出相關曲線的一個點。對風場測站在該象限內的其余每一個風速重復上述過程，就可作出這一象限內的風速相關曲線。對其余各象限重復上述過程，可獲得16個風場測站與長期測站的風速相關曲線。,,2）對每個風速相關曲線，在橫坐標軸上標明長期測站多

25、年的年平均風速，以及與風場測站觀測同期的長期測站的年平均風速，然后在縱坐標軸上找到對應的風場測站的兩個風速值，并求出這兩個風速值的代數差值（共有16個代數差值）。 3）風場測站數據的各個風向象限內的每個風速都加上對應的風速代數差值，即可獲得訂正后的風場測站風速風向資料。,關于風切變指數,測風塔的風梯度觀測 測風層次的設定 10米標準高度風機輪榖高度冪指數α的計算 最小二乘方擬合層次 層數過少，小的觀測

26、誤差會造成大的計算誤差，因此，層數不少于4-5層 樣本足夠大,冪指數α的計算,風切變冪律公式：式中：α為風切變指數； U1為Z1高度的風速，單位m/s； U為Z高度的風速， 單位m/s。,風電場風況與風機類別選擇 IEC61400—1 抗風能力與風機葉片長度有關,長度越長抗風能力越差; 發(fā)電量與葉片長度有關,葉片越長發(fā)