风力资源测量和评估案例分析

（一）玉门风能资源

1.区域风资源概况

甘肃风能资源风能总储量居全国第6位，全省有效风能储量由西北向东南逐渐减少，风能丰富区为河西走廊酒泉地区。酒泉地区南部为祁连山脉，北部为北山山系，中部为戈壁荒滩，形成两山夹一谷的地形，成为东西风的通道。玉门镇位于河西走廊西部，风能资源十分丰富。酒泉地区部分气象站风能资源统计见表1-1-13。

表1-1-13　酒泉地区部分气象站的风能资源统计

2.玉门镇气象站

（1）气象站基本情况。玉门镇气象站为国家基本气象站，位于玉门镇南郊，东经97°02′，北纬40°16′。气象站观测场高程1526m，于1952年7月设立，观测至今，记录有完整连续的气象资料。大唐玉门风电场场址距离玉门镇气象站约8km，其间地形平坦，没有大尺寸地形阻碍，与风电场平均高程相差40m，因此玉门镇气象站可作为分析该风电场风能资源的参证站。

玉门镇气象站建站至2003年风速测量一直采用人工站记录方式，人工记录测风仪为EL型，高度10.5m；于2003年开始人工站和自动站并行记录，自动站测风仪为EL15-2/2A型，高度为10.5m，人工和自动站互为备份。风向标经过磁偏角修正，设备经过标定。

玉门镇属大陆性中温带干旱性气候，根据玉门镇气象站1971—2000年30年气象资料统计，年平均气温7.1℃，年平均气压847.2hPa，年平均水汽压4.9hPa，年平均相对湿度42%，年平均降水量66.7mm。玉门镇气象站气象要素统计见表1-1-14。

表1-1-14　玉门镇气象站气象要素统计表（1971—2000年）

（2）多年年平均风速。玉门镇气象站自1952年建站以来已有60多年的气象观测资料，本阶段选取近30年（1978—2007年）的气象资料进行统计分析计算，玉门气象站1978—2007年年平均风速统计值见表1-1-15。

表1-1-15　玉门镇气象站近30年（1978—2007年）平均风速、最大风速统计表

续表

从图表中可以看出，从20世纪70年代至今，玉门镇气象站年平均风速有逐年减小的趋势，与全国其他气象站近年来的变化基本一致。经调查分析，这与气象站周围高大建筑物逐年增多及全球气候变化有关。

（3）月平均风速。玉门镇气象站1978—2007年各月平均风速统计表见表1-1-16；该地区大风月集中在11月至次年4月，小风月集中在7—9月。也就是说，冬春季风大，夏季风小。

（4）风向玫瑰图。根据玉门镇气象站资料，该地区风向玫瑰图如图1-1-14所示。

由图1-1-14中可以看出，该地区盛行风向为东风、西风。在时间分布上，年盛行风向和季节变化基本一致，冬季盛行西风，夏季盛行东风。

（二）玉门风电场测风资料

1.测风塔情况

为开发大唐玉门风电场风能资源，大唐甘肃发电公司2004年6月在风电场东南设立了一座60mm测风塔（大唐0001号），测风塔基本情况见表1-1-16。

测风资料基本情况为：大唐0001号测风塔有2004年6月12日至2006年12月30日（10m、40m、50m、60m）10min风速风向资料，其中2006年6月5日以后测风塔60m高度测风仪损坏。

2.测风数据检验与处理

为了有效地评估风电场风能资源，应对原始测风数据进行验证，对其完整性和合理性进行判断，检验出不合理的数据和缺测的数据。因2006年6月5日以后测风塔60m高度测风仪损坏，本次选用2004年6月12日至2006年6月5日近两年测风资料进行风能资源评价。

图1-1-14　玉门镇气象站风向玫瑰图

表1-1-16　测风塔基本情况表

按照GB/T 18710—2002《风电场风能资源评价办法》，采用北京木联能软件公司编制的《风电场测风数据验证和评估软件》2.0版本对各测风塔原始数据进行完整性和合理性检验，检验项目如下：

（1）小时平均风速值范围为0～340m/s。

（2）风向值范围0°～360°。

（3）当切入风速大于5.0m/s时，风速和风向连续6h无变化。

（4）小时平均风速变化小于10.0m/s。

（5）相隔高度在1～20m条件下平均风速差小于2.0m/s。

（6）相隔高度在21～40m条件下平均风速差小于4.0m/s。

（7）相隔高度在1～20m条件下平均风向差小于22.5°。

（8）当切入风速大于5.0m/s时，风速标准差值小于10。

对测风塔的实测数据分别进行完整性检验、范围检验、相关性检验和风速变化趋势检验，检验后列出所有不合理的数据和缺测数据及对应的时间，对不合理数据再次进行判断，挑出符合实际情况的有效数据，回归原始数据组。测风塔数据检验结果见表1-1-17。

表1-1-17　0001号测风塔测风数据检验表

0001号测风塔不同高度实测月平均统计见表1-1-18，测风塔60m高度全年各扇区风向和风功率分布统计见表1-1-19。由表1-1-19中可以看出。本风场主风向和主风能方向稳定且一致，以东东北（ENE）风和西（W）风的风速、风功率最大和频次最高，东东北风速占14.70%～22.23%，风功率占11.94%～23.91%；西风风速占13.95%～18.54%，风功率占24.05%～35.72%。

表1-1-18　0001号测风塔不同高度实测月平均统计

表1-1-19　0001号测风塔60m高度全年各扇区风向和风功率比例统计　%

3.测风数据订正

为得到一套反映该风电场长期平均水平的风速代表性数据，需借鉴玉门镇气象站长期测风资料对0001号测风塔实测逐小时风速风向数据进行订正。

由玉门镇气象站多年年平均风速变化直方图可以看出，从20世纪70年代到现在，玉门镇气象站年平均风速有逐年减小的趋势，1997年以后基本稳定在一个水平，与全国其他气象站近年来的变化基本一致。玉门镇气象站建站至2003年风速测量一直采用人工站记录方式，于2003年开始人工站和自动站并行记录，经分析比较2003年以后年平均风速，未发现因测风记录仪器的改变引起的波动。

为到一套反映该风电场长期平均水平的风速代表性数据，经分析认为玉门镇气象二站年平均风速1997年以后基本稳定，1996年6月至2006年5月年平均风速2.98m/s。而与场0001号风塔同期记录的气象站。2004年6月至2005年年平均风速为3.04m/s，2005年6月至2006年5月年平均风速为3.00m/s，2004年6月至2006年5月年平均风速为3.02m/s，与近10年1996年6月至2006年5月年平均风速持平。为了使选取的0001号测风资料能够代表本风电场长期的平均风速水平，本次选用0001号测风塔2004年6月12日至2008年6月5日两年实测60m高处10min风速风向数据。由测风时段气象站10m与0001号测风塔60m高平均风速变化曲线看出0001号测风塔与气象站风速变化周期基本相同。

0001号测风塔60m高代表年平均风速为7.19m/s。0001号测风塔代表年平均风速、风功率密度统计见表1-1-20。(www.xing528.com)

表1-1-20　0001号测风塔代表年平均风速、风功率密度统计

（三）风电场风资源计算

1.空气密度

根据玉门镇气象站30年（1978—2007年）各月平均气温、气压和水汽压计算空气密度，计算得到玉门镇空气密度为1.059kg/m3。玉门风电场与玉门镇气象站距离较近，平均地面高差约40m。其间地形平坦，没有大尺寸地形阻碍，所以大唐玉门风电场的空气密度取为1.059kg/m3。

2.风能计算

0001号测风塔65m高度风速数据由2005年、2006年两年的60m高度平均数据推算（风切变指数取0.10），风向采用60m高数据。

（1）平均风速及风功率密度。根据0001号测风塔代表年65m高度数据统计，年平均风速为7.24m/s，平均风能密度为374W/m2。0001号测风塔代表年65m高度月平均风速统计见表1-1-21。

表1-1-21　0001号测风塔代表年65m高度月平均风速统计表

（2）风频曲线及威布尔分布参数。风频曲线采用威布尔分布，概率分布函数用下式表示：

式中　v——风速；

c、k——威布尔参数。

用WAsP9.0程序进行曲线拟合计算，得到0001号测风塔10m高代表年平均风速为5.85m/s，平均风功率密度为212W/m2，威布尔参数c=6.6，k=1.92；40m高代表年平均风速为7.06m/s，平均风功率密度为341W/m2，威布尔参数c=8.0，k=2.09；50m高代表年平均风速为7.18m/s，平均风功率密度为358W/m2，威布尔参数c=8.1，k=2.09；65m高代表年平均风速为7.32m/s，平均风功率密度为380W/m2，威布尔参数c=8.3，k=2.09。0001号测风塔65m高度风速威布尔分布。

（3）风速、风向特性。

1）风向及风速特性。0001号测风塔65m高度全年风向和风能玫瑰图分别如图1-1-15和图1-1-16所示，0001号测风塔65m高度全年各扇区风向和风能分布统计见表1-1-22。从图1-1-14和表1-1-22中可以看出，该风场主风能方向一致，以西（W）风和东东北（ENE）风的风速、风功率最大和频次最高。西风（W）风风向占15.72%，风功率占29.80%；东东北（ENE）风风向占18.50%，风功率占18.01%。

图1-1-15　0001号测风塔65m高风向玫瑰图

图1-1-16　0001号测风塔65m高风能玫瑰图

表1-1-22　0001号测风塔代表年65m高度个扇区风向和风能分布统计　%

从0001号测风塔65m高度风速、风功率密度分布看，年有效风速（3.0～20.0m/s）时数为7893h，占全年的90%，11～20m/s时数为1633h，占全年的18.65%；小于3m/s的时数占全年的8.80%，大于20m/s的时数占全年的0.086%。有效风速时段较短，全年均可发电，无破坏性风速。

2）风速的年内变化。通常情况下，本地区年内大风月集中在11月至次年4月，小风月集中在7—9月。也就是说，冬春季风大，夏季风小。但各年尚不完全相同，在总趋势下，存在一些偶然因素影响。

由0001号测风塔65m高度风速和风功率密度年内变化曲线，0001号测风塔65m高度各月风向、风能玫瑰图可以看出，7—9月以东风为主，其他月份以西风为主，在时间分布上，年盛行风向和季节变化基本一致，冬春季盛行西风，夏季盛行东风。

3）风速的日变化。风速一日之内的变化是十分复杂的，难以用一条曲线表示。从0001号测风塔65m高度风速、风功率密度各月日变化曲线图中可以看出，1日内11：00—12：00风速开始加大，17：00—18：00风速最大，然后逐渐减小，至凌晨最小。就总体情况看，晚上小，白天大。

4）实测最大风速。风电场各测风塔不同高度实测最大风速、极大风速统计见表1-1-23。

表1-1-23　测风塔不同高度最大、极大风速统计

（4）风切变指数。根据0001号测风塔不同高度测风资料计算风切变指数见表1-1-24。

表1-1-24　测风塔不同高度测风资料风切变指数统计

根据0001号测风塔不同高度（10m、40m、50m、60m）测风资料，不同高度及其风速值拟合幂指数方程（方程为Y=4.5566 X0.1132），相关系数为0.998，相关性较好，切变指数为0.11。

综合以上风切变指数分析成果，风切变指数变化规律基本稳定，风切变指数采用为1.10。

（5）50年一遇极大风速。根据玉门镇气象站近30年（1977—2006年）实测年最大风速，采用极值Ⅰ型概率分布统计出50年一遇10m最大风速为28.4m/s（50年一遇极大风速取50年一遇最大风速的1.4倍）。

推算至风力发电机组轮毂60m、61.5m和65m高度50年一遇极大风速分别为47.6m/s、47.7m/s和47.9m/s（切变指数取0.10），小于52.5m/s。

另对0001号测风塔（2004年12月至2006年6月）60m高度极大风速与同期气象站10m高度极大风速进行相关分析（相关方程为：Y=1.1832 X+1.0019），相关系数为0.82，相关性较好。通过此相关方程推算风电场场址区60m高度50年一遇极大风速应为47.97m/s。

（6）湍流强度。15m/s风速段湍流强度按下式计算

IT=O/v

式中　v——平均风速，15.5m/s＞v＞14.5m/s；

O——相应风速标准偏差。

将测风塔实测各高度15m/s风速段平均风速和相应风速标准偏差分别代入上式计算，求出各高度湍流强度见表1-1-25。

表1-1-25　各测风塔各高度湍流强度比较表

由表1-1-25可以看出，风电场40m高度湍流强度0.0762，50m高度湍流强度0.0726，60m高度端流强度0.0657，小于0.1风电场40～60m高度湍流相对较小。

（四）风力资源综合评价

该风电场主风向和主风能方向一致，以西（W）和东东北（ENE）风的风速、风能最大和频次最高，盛行风向稳定。风速冬春季大，夏季小，白天大，晚上小。

65m高度风速频率主要集中在3.0m/s以下和20m/s以上的无效风速和破坏性风速少，年内变化小，全年均可发电。WAsP 9.0程序进行曲线拟合，计算结果根据《风电场风能资源评估方法》判定该风电场风功率等级为3级，风能资源较为丰富。

风力发电机组轮毂60m、61.5m和65m高度50年一遇极大风速分别为47.6m/s、47.7m/s和47.9m/s（切变指数取0.10），小于52.5m/s。

60m高度15m/s风速段湍流强度0.07左右，小于0.1，湍流强度较小。根据国际电工协会IEC61400-1（2005）标准判定该风电场属IECⅢ类风场。

综上所述，本风电场无破坏性风速，盛行风向稳定。风能资源较为丰富，具有一定规模的开发的前景，是一个较理想的风力发电扬。