风切变对风力发电机的影响及应对方案

风切变，也常称作风剪切，可以认为是风廓线的另一种表达方式，是对风廓线的工程应用。风廓线使我们可以把平均风速从一个高度推导到另一个高度，告诉我们两个高度的平均风速差是多少。风切变用来表征两个高度平均风速的关系。

虽然平均风廓线通常遵循对数函数形式，但是一般这样近似两个测风高度的平均风速v₁和v₂间的对数函数关系，如图2-6所示。

式中 α——风切变系数，可简称风切变。

等式变换后：

这样就可以通过测量两个不同高度的平均风速推导出风切变α，进而推导出其他高度的平均风速了。

图2-6 两个不同测风高度的平均风速(www.xing528.com)

【例2-2】 一个测风塔分别在50m和70m处测得年均风速为6.8m/s和7.3m/s，轮毂高度为60m，求轮毂高度的平均风速是多少？

由式（2-8）可以求出风切变为

令z₁=70m，z₂=60m，则v₁=7.3m/s，根据式（2-7）可得

风资源工程软件，如WasP和WindPRO，都会根据粗糙度推算的风廓线来估算风切变。工程师需要对比测风塔实测的风切变与根据粗糙度推算的是否基本相符，如果不相符，就必须重新调整软件中的粗糙度值的设置，以使两者尽可能接近。这是为什么必须在至少两个高度上测量风速的原因之一，这样才能尽量降低垂直外推的不确定性。

风切变并非恒定的，而是随着平均风速、风向和大气稳定度变化的。由于多数风力发电机组的起动风速为3～4m/s，因此在推算风切变时应该剔除低于起动风速的风数据。

风切变的大小除了与风廓线直接相关外，还与两点之间的高度差和高度有关。根据对数函数的特点，高度越低，曲线的斜率越大，因此风切变也越大。两点的高度差越大，风切变也越大。对于风力发电机组来说，风切变是指叶轮顶部和底部两个高度的风切变。