李云濤

(中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司，長沙 410007)

測風時間尺度對風電場設(shè)計參數(shù)的影響研究

李云濤

(中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司，長沙 410007)

以湖南地區(qū)多個風電場為例，選取10 min和1 h的測風時間序列并采用單機計算法計算分析風電場風能資源參數(shù)、發(fā)電量和內(nèi)部收益率指標，以探討測風時間尺度對風電場設(shè)計參數(shù)的影響。結(jié)果表明，10 min和1 h測風時間序列計算風能資源參數(shù)成果基本一致，但1 h測風時間序列發(fā)電量和內(nèi)部收益率系統(tǒng)性偏小，同時差異隨平均風速和機組葉片的減小有增大趨勢。該成果可為風電場風能資源評估、發(fā)電量、內(nèi)部收益率的不確定性及后評估提供參考，同時建議風電相關(guān)規(guī)程規(guī)范和風資源工程師采用10 min測風時間序列開展風能資源評估尤其是代表年訂正及發(fā)電量計算工作。

風電場；測風時間尺度；設(shè)計參數(shù)；風能參數(shù)；發(fā)電量；內(nèi)部收益率

風能資源評估是通過對風電場測風數(shù)據(jù)進行檢驗、修正、插補、延展等，采用長期參證氣象站訂正整理出至少連續(xù)1年的測風數(shù)據(jù)，并計算風能資源參數(shù)[1]。風能資源評估過程中常依據(jù)測風塔風速與同時刻參證氣象站或再分析數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，對測風塔風速進行代表年訂正，以進一步開展機組選型、布置及發(fā)電量計算等工作。

由于風電相關(guān)規(guī)程規(guī)范對發(fā)電量計算采用的測風時間尺度沒有明確規(guī)定，筆者發(fā)現(xiàn)風資源工程師通常采用兩種數(shù)據(jù)處理方法開展風電場設(shè)計工作：即選取經(jīng)過代表年訂正的1 h測風時間序列或未經(jīng)過代表年訂正的10 min測風時間序列，進行風能資源評估、風能資源模擬和發(fā)電量計算。

本文以湖南省多個風電場為例，選取10 min和1 h的測風時間序列計算分析風能資源參數(shù)、發(fā)電量和內(nèi)部收益率，以探討測風時間尺度對風電場設(shè)計參數(shù)的影響。

1 資料與方法

1.1資料的選取

本文選取湖南地區(qū)多個風電場代表性測風塔完整年的測風時間序列進行計算分析。測風塔高度均為80 m，海拔高度分別為530、360、312、834 m，測風塔有效數(shù)據(jù)完整率均滿足規(guī)范要求。測風塔基本信息見表1。

表2 風能資源參數(shù)對比分析表

表1 測風塔基本信息表

1.2計算方法和軟件

1.2.1單機計算法

風電場通過風電機組把風能轉(zhuǎn)化為電能，風經(jīng)過風電機組風輪后速度下降并產(chǎn)生紊流，在風向上間隔一定距離之后風速才會恢復(fù)。為避免風電機組之間的尾流影響，保證計算結(jié)果的真實性和準確性，采用單機計算法計算發(fā)電機組發(fā)電量。單機計算法即假定在測風塔位置布置一臺代表性風電機組，依據(jù)風資源評估軟件計算出測風塔位置單機發(fā)電量[2-3]。

1.2.2代表年假定

代表年訂正是通過分析風電場附近的參證氣象站近30年年平均風速的變化規(guī)律，運行風電場與參證氣象站同期實測風速的良好相關(guān)關(guān)系，訂正一套能夠反映風電場建成后20年運行期間平均水平的測風時間序列，并計算風電場20年的平均發(fā)電量。為避免代表年訂正對測風時間序列產(chǎn)生的不確定影響，假定測風塔時間序列為水平年，即不對10 min和1 h的測風時間序列進行代表年分析，直接采用經(jīng)過數(shù)據(jù)檢驗并修正后的10 min和1 h測風時間序列分別進行發(fā)電量計算。

1.2.3風資源軟件

本文采用目前應(yīng)用于復(fù)雜山地風電場的主流風資源評估軟件Meteodyn_WT 5.2.0進行風電機組發(fā)電量計算。該軟件使用計算流體力學(xué)方法(CFD)進行風力建模，解決大氣邊界層問題。該軟件的應(yīng)用模塊可以將多個測風塔以及每個測風塔不同高度的風流數(shù)據(jù)載入軟件當中進行綜合分析與計算，是風資源評估的一種有效工具，國外風電領(lǐng)域的大型開發(fā)商、咨詢公司及風機制造商在復(fù)雜條件下的風能資源評估及微觀選址多采用此軟件。

1.2.4經(jīng)濟評價軟件

本文采用目前WEEV 5.1進行風電場經(jīng)濟評價。該軟件以《風電場工程可行性研究報告編制規(guī)定》、《建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法和參數(shù)》(第三版)及《建設(shè)項目經(jīng)濟評價案例》為編制依據(jù)，通過輸入基本參數(shù)、成本費用、收入和稅金、敏感性參數(shù)等，計算生成財務(wù)評價報表并進行敏感性分析。

2 實例分析

本文采用1號～4號測風塔經(jīng)過數(shù)據(jù)檢驗并修正后的10 min和1 h測風時間序列計算風能資源參數(shù)，并輸入軟件Meteodyn_WT 5.2.0進行風資源條件模擬，然后在測風塔位置布置一臺代表性風電機組，再依據(jù)實際空氣密度下的風機機型的功率曲線和推力系數(shù)曲線進行發(fā)電量計算，最后假定單個風電場50 MW的裝機容量和4.2億元的總投資并采用軟件WEEV 5.1進行發(fā)電效益和內(nèi)部收益率計算。

2.1風能資源參數(shù)

依據(jù)1號～4號測風塔10 min和1 h測風時間序列對平均風速、平均風功率密度、主風向、主風能方向及頻率進行計算，風能資源參數(shù)對比分析表見表2。

由表2可知，依據(jù)10 min和1 h測風時間序列計算的平均風速、主風向、主風能方向均相同，平均風功率密度、主風向頻率、主風能方向頻率存在微弱差異，其中1 h測風時間序列平均風功率密度存在系統(tǒng)性偏小，初步分析原因為測風時間尺度的延長會強化風速的坦化作用。

2.2短葉片風機機型

采用短葉片WTG105-2000風機機型進行發(fā)電量計算，該機型功率曲線及推力系數(shù)曲線見圖1，計算成果見表3、圖2、圖3。

表3 WTG105-2000風機機型發(fā)電量、發(fā)電收益及內(nèi)部收益率成果表

表4 WTG118-2000風機機型發(fā)電量、發(fā)電收益及內(nèi)部收益率成果表

圖1 WTG105-2000風機機型功率曲線及推力系數(shù)曲線

圖2 WTG105-2000風機機型不同時間序列發(fā)電量差異對比圖

圖3 WTG105-2000風機機型發(fā)電量差異隨平均風速變化對比圖

由表3和圖2、圖3可以看出： 10 min和1 h測風時間序列發(fā)電量均不相同，且1 h與10 min測風時間序列發(fā)電量相比存在系統(tǒng)性偏小現(xiàn)象，主要是因為測風時間尺度的延長會強化風速的坦化作用，繼而影響平均風功率密度和發(fā)電量；10 min和1 h測風時間序列發(fā)電量、發(fā)電收益及內(nèi)部收益率的差異隨平均風速減小有增大趨勢。

2.3長葉片風機機型

采用長葉片WTG118-2000風機機型進行發(fā)電量計算，該機型功率曲線及推力系數(shù)曲線見圖4。計算成果見表4、圖5、圖6。

圖4 WTG118-2000風機機型功率曲線及推力系數(shù)曲線

圖5 WTG118-2000風機機型不同時間序列發(fā)電量差異對比圖

圖6 WTG118-2000風機機型發(fā)電量差異隨平均風速變化對比圖

由表4和圖5、圖6可以得出： 10 min和1 h測風時間序列發(fā)電量均不相同，且1 h與10 min測風時間序列發(fā)電量相比存在系統(tǒng)性偏小現(xiàn)象； 10 min和1 h測風時間序列發(fā)電量、發(fā)電收益及內(nèi)部收益率的差異隨平均風速減小有增大趨勢。

2.4兩種機型結(jié)果對比

兩種風機機型的功率曲線及推力系數(shù)曲線對比圖見圖7、圖8、計算成果對比見表5、圖9。

圖7 兩種風機機型功率曲線對比圖

圖8 兩種風機機型推力系數(shù)對比圖

測風塔平均風速/(m·s-1)年上網(wǎng)電量差值/MWhWTG105?2000WTG118?20001號5．7874732號5．982663號6．351954號6．91124

圖9 兩種風機機型發(fā)電量差異對比圖

由表5和圖8、圖9可以得出，10 min和1 h測風時間序列發(fā)電量的差異隨風機機型葉片長度的減小有增大趨勢。

3 相關(guān)資料對測風時間尺度的描述

(1)根據(jù)《風電場風能資源評估方法》(GB /T18710—2002)，風能資源評估是通過對風電場測風數(shù)據(jù)進行檢驗、修正、插補、延展，采用長期參證氣象站訂正整理出至少連續(xù)1年的逐小時風速風向數(shù)據(jù)，并計算評估風能資源所需要的參數(shù)。

(2)依據(jù)風資源評估軟件Meteodyn_WT 5.2.0的推薦，測風數(shù)據(jù)時間尺度推薦采用10 min。

(3)依據(jù)《風力發(fā)電機組 功率特性試驗》(GB/T 18451.2—2012)，功率特性試驗中測量的氣溫、氣壓、風速、發(fā)電量的時間尺度采用10 min，功率曲線成果時間尺度亦是10 min。

(4)依據(jù)《風電功率預(yù)測系統(tǒng)功能規(guī)范》(NB/T 31046—2013)，測風數(shù)據(jù)的時間尺度不小于10 min。

(5)依據(jù)IEC_61400-1-2005，風力發(fā)電機組的相關(guān)設(shè)計參數(shù)時間尺度為10 min。

參考這些規(guī)程規(guī)范，同時結(jié)合風電場風電機組控制系統(tǒng)實際運行情況，建議風電相關(guān)規(guī)程規(guī)范和風資源工程師采用10min測風時間序列開展風能資源評估尤其是代表年訂正及發(fā)電量計算工作。

4 結(jié)語

(1)10 min和1 h測風時間序列平均風速、主風向、主風能方向完全一致，平均風功率密度、主風向頻率、主風能方向頻率存在微弱差異，其中1 h與10 min測風時間序列平均風功率密度相比存在系統(tǒng)性偏小現(xiàn)象，主要是因為測風時間尺度的延長強化了風速的坦化作用。

(2)10 min和1 h測風時間序列發(fā)電量不同，且1 h與10 min測風時間序列發(fā)電量相比存在系統(tǒng)性偏小現(xiàn)象。

(3)10 min和1 h測風時間序列發(fā)電量、發(fā)電收益及內(nèi)部收益率的差異隨平均風速減小有增大趨勢。

(4)10 min和1 h測風時間序列發(fā)電量的差異隨風機機型葉片長度的減小有增大趨勢。

(5)建議風電相關(guān)規(guī)程規(guī)范和風資源工程師采用10 min測風時間序列開展風能資源評估尤其是代表年訂正及發(fā)電量計算工作。

[1] 風電場風能資源評估方法(2002版)：GB/T 18710—2002 [S].

[2]Methodology of wind energy resource assessment for wind farm (2008)：GB/T 18710—2002[S].

[3]牟磊.單機計算法修正風電場發(fā)電量計算[J].電力勘測設(shè)計，2009(9)：76-80.

MU Lei. Correcting calculation of generation quantity with single set calculation method in wind generation plant[J]. Electric Power Survey & Design，2009(9)：76-80.

(本文編輯：趙艷粉)

Influence of Wind Measurement Time Scales on Wind Farm Design Parameters

LI Yuntao

(Hunan Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Energy Engineering Group, Changsha 41007，China)

In order to investigate how wind measurement time scales influenc the design parameters of wind farm, multiple wind farms in Hunan Province were taken as examples, the wind time series of 10 min and 1 h were selected and single-unit computing method was used for calculating and analyzing the wind farm energy parameters, power generation, and internal rate of return index. It is shown that parameter calculation results of wind energy resources by the 10 min and 1 h wind time series are basically identical, but the power generation capacity and internal rate of return by 1 h time series are small, and meanwhile the difference tends to increase with the decrease of the average wind speed and the unit blades. The research findings can provide a reference for assessing the wind farm energy resources and the uncertainty of power generation, internal rate of return. And it is suggested that the engineers for wind power related procedure specification and wind resources adopt 10 min wind time series in the wind energy resource assessment, especially on behalf of the annual correction and output calculation work.

wind farm；wind measurement time scale；design parameter；wind energy parameter；generation quantity；internal rate of return

10.11973/dlyny201704025

TM614

：A

：2095-1256(2017)04-0463-04

2017-04-15