探析极端风切变对风力发电的影响

风切变主要受地表粗糙度、大气稳定度影响，与地形和风速本身也有关系。一般来说，空气温度越低，大气稳定度越大，风切变也越大；地表粗糙度越大，风切变越大。风切变使风力发电机叶轮面顶部的风速大于底部的风速。为了迎合这一特点，风力发电机的叶轮面一般都设计一定的仰角。

风切变使风速在叶轮面内不均匀分布，可以分解成垂直风切变和水平风切变。IEC61400-1（2005第三版)标准分别做出了清晰的定义。IEC标准定义的算法中，同样以叶轮直径、轮毂高度和湍流强度为参数，以垂直极端风切变为例^[51]：

图7-3 根据IEC标准，极端风向变化角度范围与风速的关系（左)，当v_hub=25m/s时的极端风向变化暂态过程（右)（湍流A类，叶轮直径D=89m，轮毂高度z=70m)

(www.xing528.com)

其中，α=0.2；β=6.4；T=12s；σ₁和Λ₁分别满足式（7-32)和式（7-33)。

同样以目前常见的机型为例，当轮毂高度风速为25m/s，叶轮直径为89m，轮毂高度为70m，湍流A类时的极端垂直风切变曲线如图7-4（左)所示。极端正风切变发生的暂态过程（T=12s)中，叶轮顶部和底部的风速随时间的变化曲线如图7-4（右)所示，展示了极端风切变的发展过程。实际风况的极端风切变应该满足该IEC标准。

图7-4 根据IEC标准，极端风切变曲线（左)，极端正风切变暂态过程（右)（湍流A类，叶轮直径D=89m，轮毂高度z=70m)