一種新型的風電場50年一遇安全風速計算方法的對比分析

1、<p>　　一種新型的風電場50年一遇安全風速計算方法的對比分析</p><p>　　摘要：采用極值I型函數(shù)和EWM模型，結合氣象站與風電場測風塔的數(shù)據(jù)，推算風電場輪轂高度處50年一遇的最大風速，并將計算結果進行對比分析。結果顯示：對于山地風電場，采用極值I型推算得到50年一遇最大風速與通過EWM模型測試得到的50年一遇最大風速的結果存在較大差異。而對于地勢平坦的風電場，這兩種測算50年一遇的最大風速的

2、結果比較接近。 </p><p>　　關鍵詞：50年一遇最大風速; 極值I型函數(shù)、EWM模型 </p><p>　　中圖分類號：P412.16 文獻標識碼： A </p><p>　　ABSTRACT: </p><p>　　With the data of meteorological station and meteorology mas

3、t on the wind farm, The extreme wind speed of 50 years at hub height is calculated using extreme value type I function and EWM model.The results show that there is a big difference for mountain wind farm between extreme

4、wind speed of 50 years using extreme value type I function and extreme wind speed of 50 years using EWM model, but there is a close result for flat wind farm between extreme wind speed of 50 years using extreme value typ

5、e</p><p>　　KEY WORDS: The 50-year Extreme Wind Speed ;Extreme Value type I Function.EWM model </p><p><b>　　前言： </b></p><p>　　風電場建設的最基本要求是風能資源豐富，風向較穩(wěn)定的區(qū)域。但隨著國內風電產業(yè)的發(fā)展，就地消

6、納困難，大規(guī)模并網及遠距離傳輸對電網提出更高的要求等問題凸顯等，能用于開發(fā)的較好風資源越來越少，剩余的風資源區(qū)域大多為偏遠地帶或較差風資源地帶。這種風電場對風機的安全穩(wěn)定運行提出更大的挑戰(zhàn)。如風力發(fā)電機組的安全性能校核不好，易造成風機倒塌事故的發(fā)生，給投資商帶來巨大的經濟損失。同時，為風機制造商帶來不利影響。依據(jù)IEC與GL風力發(fā)電機組設計標準，50年一遇10分鐘最大風速是風電機組承受其極限載荷的關鍵的性能指標，也是風電機組最終選型的關

7、鍵指標之一，故對風電場內輪轂高度50年一遇最大風速的準確性判斷顯得尤為重要。 </p><p>　　目前，國內多采用《全國風能資源評價技術規(guī)定》[1]中極值I型概率分布函數(shù)，結合風電場區(qū)域氣象數(shù)據(jù)推算本區(qū)域內10米高度的50年一遇的極大風速。隨后，利用氣象數(shù)據(jù)與測風塔數(shù)據(jù)之間相關性及風切變函數(shù)，推算風電場輪轂高度處50年一遇的最大風速。除此之外，GL風力發(fā)電機組設計標準中也提出一種EWM(Extreme wind

8、 speed mode)模型計算風電場50年重現(xiàn)期的最大風速公式。通過這兩種方法對實際工程中計算結果的比較分析，探討一種新型的50年一遇最大風速計算方法的可行性，為實際工程應用提供參考依據(jù)。 </p><p>　　1、風電場項目介紹 </p><p>　　風電場50年一遇的最大風速是風機安全穩(wěn)定運行基本保障,依據(jù)IEC風力發(fā)電機組選型標準，須明確風電場50年一遇的安全風速，才能正確地選擇風

9、力發(fā)電機組，保證風電場的經濟性與安全性。本文選取中原地區(qū)不同復雜程度的4個風電場與1個“三北”風電場，輔以風電場區(qū)域內氣象數(shù)據(jù)與測風塔數(shù)據(jù)，對這5種類型的風電場50年一遇的最大風速進行計算與數(shù)據(jù)對比分析，尋求兩種計算方法的各自點。A風電場以丘陵山地為主，高程1100~1500米，坡度10-30°，局部山體較為陡峻；B風電場為山地地形，高程750~1075米，坡度4-20°，局部山體較為陡峻；C風電場山體基本連續(xù)，山頂

10、高程500-700米，山脊較為平緩寬廣；D風電場為低山丘陵，山頂高程為300-450米，谷底高程為70-90米；E風電場地形較為平坦，場地開闊； </p><p>　　2、風電場的安全等級 </p><p>　　風電場的安全等級是保證風機在承受極限載荷條件下能夠穩(wěn)定運行,實際工程應用中，風力發(fā)電機組等級即是風電場的安全等級，其包含三個方面：年平均風速、湍流強度及50年一遇最大風速，其設計依

11、據(jù)IEC風力發(fā)電機組分類標準。按照最新2005版IEC標準將風機劃分為四類，見表2-1[2]。 </p><p>　　表2-1 風電機組等級分類 </p><p><b>　　3、數(shù)據(jù)分析方法 </b></p><p>　　3.1 極值I型分布函數(shù) </p><p>　　依據(jù)《全國風能資源評價技術規(guī)定》，風電場最大風速χ

12、采用極值I型概率分布[3]和密度分布函數(shù)為： （1） </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　（1）與（2）公式中，u為分布的位置參數(shù)，α為分布的尺度參數(shù)。假定有限個年平均風速最大值，用w表示。因風速是離散數(shù)據(jù)，按照數(shù)學期望E(w)和標準方差σ計算公式，可得到有限樣本內的平均值 和標準方差σ。分布的尺度參數(shù)α與均值 及標準差σ之間的關系式如

13、下： </p><p><b>　?。?） </b></p><p><b>　　（4） </b></p><p><b>　?。?） </b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　其中C1、C2通過《

14、全國風能資源評價技術規(guī)定》標準內附表中查得。C1、C2數(shù)值見表3-1，n代表測風數(shù)據(jù)年數(shù)。 </p><p>　　表3-1 系數(shù)C1與C2數(shù)值一覽表 </p><p>　　重現(xiàn)期風速：以年為一個自然周期定義年最大風速，極值定理選取的樣本以年最大風速值測量的。從概率分布的角度分析，兩次重復出現(xiàn)相同10分鐘平均最大風速的間隔周期稱為重現(xiàn)期，用T表示。重現(xiàn)期是以年為單位，則在任一年中超過10分鐘

15、平均最大風速一次的概率為1/T，故小于該風速的概率，即重現(xiàn)期為T的風速計算公式如下： </p><p><b>　　（7） </b></p><p>　　其中u是分布的位置參數(shù)，α是分布的尺度參數(shù)，XT為重現(xiàn)期的最大風速。 </p><p>　　依據(jù)公式（3）、（4）、（5）、（6）、（7）可求出風電場10米高度重現(xiàn)期為T的最大風速。 <

16、/p><p>　　3.2 極大風速模型(Extreme wind speed model，簡稱EWM) </p><p>　　極大風速用來定義風力發(fā)電機組在極端狀況下承受的風速載荷，該載荷包括因擾動和快速變化在風速和風向上產生的尖峰風速。除極端狀況下的風速載荷外，風力發(fā)電機組的極大風速載荷也包含潛在湍流風的影響。因此，對影響風力發(fā)電機組載荷的確定因素在風機設計時必須考慮。 </p>

17、<p>　?。?）EWM[5]是一個穩(wěn)定或湍流極大風速模型。該模型是基于風電場安全等級中的參考風速Vref和標準偏差σ1制定的。其實，EWM模型代表了極大風速模型（3秒鐘平均風速）與最大風速模型（10分鐘平均風速）。其中，極大風速模型即是穩(wěn)定的極大風速模型；最大風速模型即是湍流的極大風速模型。 </p><p>　　（2）對于穩(wěn)定的極大風速模型，50年一遇的極大風速Ve50和1年一遇的極大風速Ve1

18、必須依據(jù)參考風速Vref來計算。然而對于標準的風力發(fā)電機組安全等級，50年一遇的極大風速Ve50和1年一遇的極大風速Ve1可作為高度函數(shù)，高度用Z表示，對應高度的計算公式如下： </p><p>　　Ve50(Z)=1.4Vref(Z/Zhub)0.11 （8） </p><p>　　Ve1(Z)=0.8Vref Ve50(Z)（9） </p><p>　　VeN(

19、Z)是指預期的極大風速（超過3秒鐘平均），N年、Ve1 及Ve50分別代表了N年、1年及50年的重現(xiàn)期。 </p><p>　　（3）對于湍流的極大風速模型，10分鐘的平均風速是高度（Z）的函數(shù)表達式，關于50年或1年重現(xiàn)期對應高度的函數(shù)可用等式加以表達： </p><p>　　V50(Z)=Vref(Z/Zhub)0.11（10） </p><p>　　V1(Z)

20、=0.8Vref (Z/Zhub)0.11 （11） </p><p>　　VN(Z)是指預期的極大風速（超過10分鐘平均），N年、V1 及V50是分別代表N年、1年及50年的重現(xiàn)期。 </p><p>　　對于湍流型極大風速模，輪轂高度處Vhub平均風速可用認為是Vref或0.8 Vref。應用湍流風速模型必須與標準的湍流模型NTW（Normal turbulence model）保持一

21、致，即縱向湍流標準偏差：σ1=0.11Vhub。 </p><p>　?。?）對于EWM風速模型的載荷計算，要求遵守如下一般需求： </p><p>　　對于每個模擬仿真操作，單個湍流極大風速的模擬運行周期須至少10分鐘。 </p><p>　　對于湍流型極大風速的載荷仿真模擬，載荷計算與評估的內容須遵守GL標準中載荷評估的方法。 </p><p

22、>　　對于湍流型極大風速的載荷仿真模擬，采用的風須依據(jù)不同的初始值（種子）生成的風。 </p><p>　　如果計算塔筒部分載荷，風速區(qū)域須包含完整部件（輪轂與塔筒）?；蛘叩玫紾L標準委員會允許之后可采用某一替代模型。 </p><p>　　由上述可知，湍流型極大風速是風電場50年一遇的最大風速模型。通過上述公式（10）、(11)可推導出如下內容： </p><p

23、>　　V1(Z)=0.8 V50(Z)（12） </p><p>　　V1(Z)代表一年中10分鐘平均的最大風速。按照國家標準，風電場至少提供一年測風數(shù)據(jù)。因此，假定風電場為一年重現(xiàn)期，可獲得風電場一年重現(xiàn)期最大風速。依據(jù)公式（12），即可得到風電場50年一遇的最大風速，而這個值可認為是輪轂高度處的參考風速。 </p><p><b>　　4、工程實例 </b>

24、</p><p>　　4.1 極值I型最大風速計算方法 </p><p>　　該方法是以風電場區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)為基礎，選取氣象數(shù)據(jù)中大于風機額定風速以上的風速與測風塔高度處大于風機額定風速以上的風速做線性相關，得到對應的相關函數(shù)。利用該函數(shù)可得到測風塔高度處50年一遇的最大風速。最后，通過風切變數(shù)據(jù)得到風機輪轂高度處50年一遇的最大風速。實際案例的計算結果見表4-1。 </p>

25、<p>　　表4-1 極值定理計算結果 </p><p>　　4.2 EWM模型計算方法 </p><p>　　該方法是以風電場區(qū)域的測風數(shù)據(jù)為基礎，取其一年10分鐘平均的最大風速，通過湍流性極大風速計算公式（12）得到風電場測風塔高度處50年一遇的最大風速。采用風切變數(shù)據(jù)，獲得風電場輪轂高度處50年一遇的最大風速。實際案例的計算結果見表4-2。 </p><

26、;p>　　表4-2 EWM模型計算結果 </p><p>　　通過上述2種計算方法對5個風電場50年一遇的最大風速結果進行分析，得到如下結論： </p><p>　　對于山地風電場，采用極值I型方法與EWM模型計算結果差別較大。而對于地勢較緩風電場，采用極值I型方法與EWM模型計算結果差別較小，而且地勢越平坦，結果顯示差異越小，可忽略不計。 </p><p>

27、　　從技術層面上看，山地風電場，考慮地勢的海拔高度與周圍地理位置的因素，因風電場內各個風機機位海拔高度不同影響風速變化，最終導致風速標準偏差與湍流強度存在差異，對計算結果可能會造成影響較大。而對地勢較為平坦風電場，風速不受周圍地勢的影響，風速與湍流強度比較穩(wěn)定，對計算結果造成影響較少。 </p><p>　　從計算方法上看，嚴格意義上講兩種計算方法均存在局限性。公共特點：測風數(shù)據(jù)只是代表了風電場某一點風資源數(shù)據(jù)，

28、采用一點風資源數(shù)據(jù)外推整個風電場區(qū)域存在某些不確定因素。特別是對山地風電場，地形比較復雜且風電場范圍較大的情況下，測風塔測量得到數(shù)據(jù)存在狹隘性。對極值I型計算方法，雖然原始數(shù)據(jù)采用氣象站數(shù)據(jù)且樣本數(shù)量充足。但氣象站距離風電場較遠且測風高度處風速是通過線性相關推算的，中間轉換過程會增加誤差。而對于EWM湍流極大風速模型，雖然最大風速由測風數(shù)據(jù)直接推算出來，但風速存在大風年與小風年現(xiàn)象。 </p><p>　　綜上，

29、對于計算50年一遇最大風速值不一致的現(xiàn)象，綜合各方面的原因，如工程實際情況等因素，得出一個相對合理的風電場50年一遇的最大風速。 </p><p><b>　　5、結論 </b></p><p>　　本文闡述了計算風電場50年一遇最大風速2種方法，并用工程實例驗證了其實用的風電場類型，在工程實際中具有一定的實用意義。 </p><p>　　隨著

30、國內風電產業(yè)的日益成熟，業(yè)界人士越來越來關注50年一遇的最大風速計算方法，因為它是風力發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行先決條件。雖然在一定條件下，風機極限載荷設計值越大越好，可適應更多的風電場安全風速。但這會增加社會的經濟成本。隨著科學技術的進步與實際工程經驗的不斷積累，依據(jù)不同風電場實際情況，風電產業(yè)將會獲取更多風電場50年一遇的最大風速的計算方法。 </p><p><b>　　參考文獻 </b>&

31、lt;/p><p>　　[1] 國家發(fā)改委.全國風能資源評價技術規(guī)定.發(fā)改委能源[2004]865號,2004，3-7. </p><p>　　[2] International Electro technical Commission.IEC61400-1.Third edition [S]，2005-08. </p><p>　　[3] J P Palutikof,

32、B B Brabson .A review of methods to calculate extreme wind speeds.[J].Meteorol 1999,6：:124-127. </p><p>　　[4] 李宏男，王楊等.極值風速概率方法研究進展.自然災害學報[J]，2009（2）:44=59. </p><p>　　[5] Germanischer Lloyd WindE