平原地区风切变指数的计算方法

詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨

文章编号:1006—2610(2019)02—0095—05

平原地区风切变指数的计算方法

王摇炎,崔永峰,袁红亮,宋俊博

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安摇710065)

摘摇要:风切变指数是风的典型特征之一,是评估风能资源的一个重要参数。根据风切变指数的影响因素,对平原地区风切变指数的变化规律进行研究,分析了8种不同计算风切变指数的方法,并对由该8种方法推算得到的风速和发电量与实际情况进行对比分析。结果表明:按月、小时或者逐月按小时计算的风切变指数较为可靠,其推算的其他高度风速时间序列较为准确。该研究有利于更准确地推算风机轮毂高度处的风速,进而更准确地估算风电场的发电量。

关键词:风切变指数;平原地区;粗糙度;大气稳定度

中图分类号:TK82;P425.5摇摇摇摇文献标志码:A摇摇摇摇DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2019.02.023

StudyonCalculationMethodofWindShearIndexinPlainArea

(PowerChinaNorthwestEngineeringCorporationLimited,Xi'an摇710065,China)

Abstract:Thewindshearindexisoneofthetypicalwindcharacteristicsandanimportantparameterforassessingwindenergyresources.Accordingtotheinfluencingfactorsofwindshearindex,thevariationlawofwindshearindexinplainareaisstudied.Eightdifferentmethodsforcalculatingwindshearindexareanalyzed.Thewindspeedandpowergenerationcalculatedbytheeightmethodsarecom鄄thewindspeedatthehubheightofthewindturbineandaccurateestimateofthepowergenerationofthewindfarm.Keywords:windshearindex;plainarea;roughness;atmosphericstability

paredwiththeactualsituation.Theanalyzedresultsshowthatthewindshearindexcalculatedbymonth,hourormonthbymonthismorereliable,andthewindspeedtimeseriesatotheraltitudescalculatedaremoreaccurate.Thisstudyisfavorableforaccuratecalculationof

WANGYan,CUIYongfeng,YUANHongliang,SONGJunbo

0摇前摇言

风切变是指在大气边界层中,风速随高度变化的现象,是风资源在空间上分布不均的典型特征之一。在风能资源评估过程中,往往需要根据风机轮毂高度处的风速推算发电量,但在实际测风中,测风仪器的高度配置并不一定能完全达到风机的轮毂高度,需要根据风切变指数推算风机轮毂高度处的风速。目前,风切变指数一般取风廓线拟合值或者相邻2个高度的年平均风速计算得到的风切变指数,均是一个固定值。而实际上,风切变指数在不同时刻、不同月份、不同风速段都存在明显的差异,特别

摇摇收稿日期:2018-09-26

是在中国东部平原地区表现的尤为突出[1-3]。采用以上2种方法推算风速可能会产生较大误差,特别是对风速的时间序列影响较大。此外,风切变指数的准确与否还将影响到风机选型、发电量估算、风机使用寿命和运行安全等,进而影响到风电场经济效益评估[4-6]。本文根据风切变指数的影响因素,对风切变指数的变化规律进行研究,采用8种不同方法分别计算风切变指数;并将其推算的风速结果与实测风速进行对比分析,在此基础上提出推荐的风切变指数计算方法。

1摇影响风切变的因素

风切变指数表示风速在垂直方向上的变化程度,其大小反映风速随高度变化的快慢。其值大表示风速随高度变化的快,风速梯度大;其值小表示风速随高度变化的慢,风速梯度小。

摇摇作者简介:王炎(1990-),男,河南省郑州市人,助理工程师,主要从事风力发电技术方面的研究工作.

96王炎,崔永峰,袁红亮,宋俊博.平原地区风切变指数的计算方法

詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨

造成风在近地层中的垂直变化的原因主要有动

的有效数据完整率均达到98%以上。

力因素和热力因素。前者主要来源于地面的摩擦效应,即地面的粗糙度;后者主要表现为与近地层大气垂直热稳定度的关系。流经地表的流体,地面的粗糙特性对流体产生影响,形成了各种特性的边界层流体。流速梯度存在的下限值就是粗糙度[7-9]。简单来说,粗糙度就是指风随高度为对数变化时平均表示,定义为风速等于零时的高度。大气稳定度指风速为零处的高度。通常以动力学粗糙长度z0来

塔号123塔高/m120120100表1摇各测风塔基本情况表

测风时段2014.12.01—2015.11.302015.10.01—2016.09.302016.01.15—2017.01.14测风塔配置/m风速:120/100/90/70/40/10风向:120/70/10风速:120/100/90/70/40/10风向:120/70/10风速:100A/100B/80/60/40/10风向:100/80/10仪器NRGNRGNRG近地层大气作垂直运动的强弱程度,以气温垂直递减率区分稳定状态,一般分为稳定、不稳定和中性3种状态[10-11]风切变指数是一个表征风速随高度。

、地表粗糙度、大气热稳定度等变化的综合参数。当大气层结为中性时,湍流将完全依靠动力原因来发展,这时风速随高度变化服从普朗特经验公式:

u(z)=uk*ln

zz

0

(1)

式中:u*为摩擦速度;k为vonKarman常数,k=0.4;z0为风速等于零时的高度。由Hellman提出的幂指数形式的风廓线在实际

应用中简单可行

[12-13]

简单指数关系,可导出公式,假设混合长度随高度变化有

:

U=U琢

niç

æz

n÷

ö

èziø

(2)

式中:Un和Ui分别为高度在zn和zi处的风速;琢为风速随高度变化系数,是一个与大气稳定度和地形条件有关的参数,将琢定义为风切变指数。则风切变指数律为:

琢=

lg(2摇风切变指数变化规律分析

lg(Uzn/U)

in/zi)(3)

2.1摇数据说明

为了便于直观地说明风切变指数的变化规律,本次选用河南省平原地区5座测风塔完整1a的测风数据,分析风切变指数的日变化、月变化,以及风切变指数随风速的变化特征。5座测风塔基本情况见表1。

按照GB/T18710-2002《风电场风能资源评估方法》,对各测风塔不合理数据进行判别,挑出符合实际情况的有效数据,回归原始数据组。各测风塔

41002016.2017.03.02.01—28风速:100A/100B/80/60/40/10风向:100/80/10NRG51002016.2017.03.02.01—28风速:100A/100B/80/60/40/10风向:100/80/10NRG各测风塔所在区域以村庄、农田为主,考虑10m不考虑高度风速受下垫面影响显著10m高度风速。通过其它高度风速来分析,故风切变指数计算计算各测风塔的风切变指数。2.2摇风切变指数的日变化

以看出5座测风塔风切变指数日变化曲线见图,各测风塔风切变指数均呈现出白天小1。、夜间可

大的变化规律,这主要是与大气热稳定度有关。一日之中上午8:00左右太阳辐射逐渐增强,地表温度开始上升,引起大气的不稳定,风切变指数大幅下降;下午16:00左右温度开始下降,大气逐渐趋于稳定,此时风切变指数大幅上升,在夜间趋于平稳。其中:1号测风塔风切变指数日波动最大,变化范围在0.最小098,变化范围在~0.551之间0.。0994号测风塔风切变指数日波动~0.398之间,差值也达到了0.299。可见,风切变指数的日内变化十分显著。2.3摇风切变指数的月变化

于各测风塔所在区域下垫面主要为农田5座测风塔风切变指数月变化曲线见图、农作物的2。由

种植、生长、收割等对粗糙度均有一定影响。粗糙度

图1摇5座测风塔风切变指数日变化曲线图

西北水电·2019年·第2期97

詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨对各月平均风切变指数有一定影响;此外,不同月份各测风塔主风向会发生一定变化,受测风塔周边环境因素的影响,切变指数也会出现一定差异。由图2可知,5座测风塔风切变指数的月变化无明显规律,但各月间风切变指数存在一定差异。

表2摇不同风切变指数计算方法对比表

名称年拟合值逐10min计算方法利用风廓线拟合,将测风塔各层高度的年平均风速绘制散点图,然后根据指数关系进行曲线拟合,从而得到拟合值(1个)。利用风廓线拟合,将测风塔各层高度逐十分钟的平均风速分别绘制散点图,然后根据指数关系进行曲线拟合,得方法1图2摇5座测风塔风切变指数月变化曲线图

2.4摇风切变指数随风速的变化

见图53。座测风塔风切变指数在各风速段的变化情况

从图3可看出,大部分测风塔在9m/s以下风速段呈现出风切变指数随风速增大而增大的变化趋势;在大于9m/s的风速段,风切变指数开始缓慢减小。

图3摇5座测风塔在各风速段的变化曲线图

3摇风切变指数计算方法

在实际工程中,风切变指数常取测风塔不同高度年平均风速风廓线拟合值或者相邻2个高度的年平均风速计算得到的风切变指数,均是一个固定值。但由于平原地区大气稳定度在一日之内变化较大,使得风切变指数在日内差异明显;同时,不同月份,地表植被所反映的粗糙度不同,对风切变也有影响。图1~3可充分表明,风切变指数在不同时刻、不同月份、不同风速段都存在明显的差异,因此,有必要通过不同方法计算风切变指数。目前,最常用的8种风切变指数计算方法见表2。

2拟合值到逐十分钟拟合值(52560个)。3相邻高度的1、2式风切变指数80(3)号测风塔根据计算得到风切变指数90m、100。m3、4、5的年平均风速数据利用公号测风塔根据60m、数(1m的年平均风速数据利用公式个)。(3)计算得到风切变指4逐10min相邻高1、2公式号测风塔根据(3)计算得到逐十分钟风切变指数90和100m的逐十分钟风速数据利用。3、4、5号测风度的风切变指数塔根据60和80m的逐十分钟风速数据利用公式(3)计算得到逐十分钟风切变指数(52560个)。5小时拟合值统计一年中各个高度每小时的平均风速,利用风廓线拟合得出每小时的拟合值(24个)。6月拟合值统计一年中各个高度每月的平均风速,利用风廓线拟合得出每月的拟合值(12个)。7逐月按小时统计一年中各个高度每月每小时的平均风速,利用风廓拟合值线拟合得出每月每小时的拟合值(288个)。8分扇区拟合值将每个风速数据根据其相同或者相邻高度的风向数据分到16个扇区中,统计一年中各个扇区的平均风速,利用风廓线拟合得出各扇区的拟合值(16个)。4摇计算方法对比

4.1摇计算说明

本次应用上述8种风切变指数计算方法,对5座代表测风塔的风切变指数进行推算,得到已知高度的风速,与实测风速进行对比分析,以确定各方法的优劣。不考虑各测风塔的最高和最低风速通道数据,即:不考虑1~5号测风塔各自最高和最低高度风速数据,利用各测风塔其余通道的风速数据通过8到的风切变指数与幂律公式推算出已知种不同的方法分别计算风切变指数;然后根据得120m或者速进行对比100m高度的风速。

,再将各自的推算结果与实测风4.2摇风速误差对比分析汇总情况8种不同方法推算结果与实测风速误差绝对值,见表3~5。

由表3~5可知,根据不同的误差统计方式,各

方法的误差大小排序有一定的变化,但方法5~8的误差整体比方法1~4的误差小。4.3摇发电量计算结果对比

某风电场位于平原农田区,将通过方法1~8推算的100m高度风速数据和实测100m高度风速数据共同组成的9个时间序列用于发电量计算对比。

98王炎,崔永峰,袁红亮,宋俊博.平原地区风切变指数的计算方法

詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨

表3年平均风速绝对误差绝对值汇总表

差,风电场风机布置见图4,发电量计算结果对比见表6、7。

表6摇2号测风塔计算的发电量结果对比表

方法1234567实测风速8理论发考虑尾流损电量失的发电量/万kWh/万kWh13735.814210.412804.713393.713829.713741.913845.113719.814001.5上网电量/万kWh年等效利用小时数/h215022242004209621652151214520832191发电量相对误差/%-1.90%-8.55%-4.34%-1.23%-1.85%-2.11%-4.95%-1.49%平均风速相对误差/%-0.08%-3.33%-2.53%-0.07%-0.06%-0.14%0.10%1.43%方法123456781号塔0.2020.2820.2730.3790.1990.1790.2030.1832号塔0.0050.0770.1820.1380.0050.0050.0070.0043号塔0.0600.0050.0570.0070.0460.0600.0440.0574号塔0.0680.0070.0950.0480.0600.0680.0590.0655号塔0.1040.1970.0700.1150.1120.1040.1140.109/(m·s-1)

0.0880.1140.1350.1370.0840.0830.0850.083平均排序5678314214087.414573.413142.513731.214180.814093.414196.314072.014347.210878.511254.310141.110607.610952.810883.310855.410539.811088.9表4摇年平均风速相对误差绝对值汇总表

方法123456783.68%5.15%4.99%6.94%3.62%3.26%3.69%3.34%1号塔0.08%1.43%3.33%2.53%0.10%0.07%0.14%0.06%2号塔1.16%0.01%1.10%0.20%0.90%1.15%0.87%1.10%3号塔1.41%0.06%1.94%1.02%1.26%1.40%1.23%1.34%4号塔2.04%3.87%1.35%2.25%2.20%2.04%2.22%2.13%5号塔1.67%2.10%2.54%2.59%1.62%1.58%1.63%1.59%平均排序56783142表7摇4号测风塔计算的发电量计算结果对比表

方法1234567实测风速8理论发考虑尾流损电量失的发电量/万kWh/万kWh13096.913620.112954.813369.513170.313104.513186.513127.213583.5上网电量/万kWh年等效利用小时数/h205021322028209320612051204319932126发电量相对误差/%-3.58%-4.63%-1.58%-3.04%-3.53%-3.%-6.26%-0.27%平均风速相对误差/%-1.41%-1.94%-1.02%-1.26%-1.40%-1.23%-1.34%-0.06%13469.314000.413325.613744.113541.913476.113558.013496.513959.510372.410786.810260.010588.410430.610378.510339.010084.610757.9表5摇逐10min风速相对误差绝对值的年平均值汇总表

方法1234567.93%1号塔7.55%8.%7.71%9.21%6.99%7.56%6.97%7.68%2号塔7.82%8.14%7.82%7.98%7.22%7.82%7.18%7.84%3号塔8.50%9.34%8.50%8.54%8.17%8.59%8.24%8.35%4号塔10.42%12.23%10.16%8.95%9.73%9.69%10.42%10.36%5号塔8.84%8.99%8.32%8.84%8.33%8.78%平均排序5768142311.55%10.75%20.51%9.48%9.79%9.58%9.69%10.03%11.04%结合表3、6、7可以看出,在平原地区:

6、8推算的120m高度年平均风速接近;4号测风塔通过方法5、7、8推算的100m高度年平均风速接近,但由于时间序列不同,计算的发电量差异显著。量的相对误差也越小;但2、4号两座测风塔通过方法8推算的平均风速相对误差绝对值分别为0.06%和1.34%,但其计算的发电量误差绝对值分别为4.95%和6.26%,误差较大。说明推算的时间序列

与实测风速时间序列相差较大。

(3)根据两座测风塔所采

(2)一般来说,平均风速的相对误差越小,发电(1)虽然2号测风塔的实测风速和通过方法

分别采用2号测风塔2015.10.01—2016.09.30时段的9个时间序列和4号测风塔2016.03.01—2017.02.28时段的9个时间序列共2套数据、23台WTG121/2.2MW风机,1颐10000地形图及当地空气密度(1.196kg/m)下的动态功率曲线和推力系

3

数曲线,利用WT5.2软件进行发电量估算。综合折减系数取20.8%,得到风电场年上网电量。将通过实测风速计算的发电量作为参考值,统计发电量误

用方法2计算成果可以看出,虽然其推算的平均风速相对误差较大,但其发电量相对误差较小。说明推算的时间序列与实测风速时间序列相差较小。

图4摇风电场风机布置图

法5~7推算的发电量误差一般

(4)结合表3分析可知,方

西北水电·2019年·第2期99

詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨较小,即通过方法5~7推算的时间序列较为准确。

素,选择恰当的风切变指数推算方法。若区域风切变指数受大气稳定度影响明显,则切变指数应考虑按小时计算,若区域风切变指数受粗糙度变化作用明显,则应考虑按月计算。

5摇结摇语

稳定度影响较大,在一日之中,风切变指数白天小、夜间大;而风切变指数的月变化无明显规律,粗糙度及风向差异对风切变指数月变化有一定影响。此外,不同风速段的风切变指数也不相同。

量的相对误差也越小;但通过分扇区推算的时间序列与实测时间序列相差较大。

按月或者逐月按小时计算的风切变指数较为可靠,其推算的其它高度的时间序列也较为准确。法2推算的平均风速误差和发电量误差应该最小。但由于测风仪器的测量误差,部分时间统计的风速会出现异常,导致推算的平均风速误差相对较大;但推算的时间序列与实际较为接近,发电量误差较小;而按月、按小时或者逐月按小时计算的风切变指数可将测风误差减小。在测风塔各层高度测风质量较好的情况下,风切变指数可考虑采用逐10min拟合切变指数。

数计算方法对比成果,建议在风切变指数计算中应充分考虑区域大气稳定度、粗糙度及地形影响等因摇摇(上接第页)

(5)从风切变指数的影响因素和不同风切变指(4)风切变随时都在变化,理论情况下,通过方(3)综合章节2.2、2.3分析结果可知,按小时、(2)一般来说,平均风速的相对误差越小,发电(1)在平原地区,风切变指数的日变化受大气

参考文献:

[1]摇王红芳,刘玮,郑庆尧,赵建春.风电场风能资源评估几个关键[2]摇吴婷婷.风电场风能资源评估中重要参数的计算与应用[D].[3]摇徐宝清,吴婷婷,李文慧.风能风切变指数计算方法的比选研[4]摇廖明夫,徐可,吴斌,袁凯峰.风切变对风力机功率的影响[J].[5]摇丛明,张吉.风切变指数对轮毂高度风速推算的影响分析[J].[6]摇杜燕军,冯长青.风切变指数在风电场风资源评估中的应用[7]摇彭怀午,冯长青,包紫光.风资源评价中风切变指数的研究[8]摇陈默.影响风切变指数的几个因素的分析[C]//中国电机工程[9]摇申宽育.中国的风能资源与风力发电[J].西北水电,2010[10]摇李鸿秀.中国风切变指数时空变化分析[D].兰州:兰州大[11]摇杨智奇.不同风切变条件下风电场风机轮毂高度选取分析[12]摇张清清,李海波,李品.低风速风电场风资源开发分析[J].西[13]摇杨济畅,包振海.风切变对风电场发电量变化趋势的影响分

析[J].风能,2016(01):78-83.北水电,2014(02):93-95.[J].太阳能,2015(11):40-44.学,2016.(01):76-81.学会年会,2013.

[J].可再生能源,2010,28(01):21-23.[J].电网与清洁能源,2010,26(05):62-66.风能,2016(12):80-82.

沈阳工业大学学报,2008,30(02):163-167.究[J].农业工程学报,2014(16):188-194.呼和浩特:内蒙古工业大学,2015.

问题分析[J].西北水电,2011,(S1):76-78.

抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒抒

(5)通过对放水洞段压力的分析得知,放水洞

[2]摇文林森,王才欢,杨伟,等.水工附环闸门闭门过程水力特性数[3]摇陈瑞华,杨吉健,马麟,等.小湾水电站泄洪洞洞身数值模拟[4]摇李妍,高学平,徐茂杰,等.水电站进水口水力特性数值模拟研[5]摇赵小军,魏文礼.戽流消能水力特性数值模拟[J].电网与清洁[6]摇魏文礼,戴会超.紊流模型理论及工程应用[M].西安:陕西[7]摇王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北[8]摇ShenYM,NgCO,ZhengYH.Simulationofwavepropagation

overasubmergedbarusingtheVOFmethodwithatwo-equationk-着turbulencemodeling[J].OceanEngineering,2004,31(01):87-95.

京:清华大学出版社,2004.科学技术出版社,2006.能源,2015(05):70-73,78.

究[J].水利水电技术,2010(01):29-32.[J].排灌机械工程学报,2017(06):488-494.值模拟研究[J].长江科学院院报,2017(10):68-73.拟[J].水利水电技术,2012(04):41-44.

范围内的压强均为正压。模拟水库压力从上到下依次增大,几乎为静水压强,符合压力随着水深的增加而逐渐增大的规律。并且发现无压缓坡段洞子的底层为水流,压力较小,洞子上部的空气部分压力均为大气压强。

综上所述,生态放水洞设计体型满足泄量要求,并得到不同特征水位工况下满足生态泄量的运行开度。放水洞段的速度和压力等水力学特性也符合理论分析的规律,并和水工试验模型测得的数据接近。进一步验证了模型试验推荐体型的合理性,为工程实际的应用提供了一定的参考依据。

[9]摇廖斌,陈善群.VOF方法模拟水面振荡流场[J].长江科学院院[10]摇袁丽蓉,沈永明,郑永红.用VOF方法模拟横流下窄缝紊动射

流[J].海洋学报(中文版),2005(04):155-160.报,2011(05):27-30.

参考文献:

[1]摇高学平,李妍,王建华,等.抽水蓄能电站岔管水力特性数值模