受台风影响的内陆山区风能资源利用分析

2016-11-18 11:14 [新能源论文] 来源于：《风能》作者：李何平

导读：我国拥有较长的海岸线，且沿海地量可观。随着风能利用开发的不断深入和发展，我国沿海地区风电开发区域已经逐渐向内陆延伸，其中广东、广西、福建及浙江等省份的沿海内陆山区已建有大量的风电项目。需要注意的是，当台风从大海向陆地移动时，能量需要一定

我国拥有较长的海岸线，且沿海地量可观。随着风能利用开发的不断深入和发展，我国沿海地区风电开发区域已经逐渐向内陆延伸，其中广东、广西、福建及浙江等省份的沿海内陆山区已建有大量的风电项目。

需要注意的是，当台风从大海向陆地移动时，能量需要一定的时间才可以逐步消失。因此，沿海各省区的内陆山区仍会受到台风的影响，而风电场位于台风路径上时，其受到的影响将更大。根据台风强度的不同，内陆地区受影响的程度各异，台风影响最远的地区可能距离海岸线能达到300km 左右。

本文以位于广东、广西及浙江3座内陆山区的测风塔为典型对象进行分析，对这些受台风影响区域的风能资源开发作相应探讨，3 座测风塔分别位于广东省茂名市、广西省贺州市和浙江省金华市，依次记为1#、2# 和3# 测风塔;测风高度分别为40m、70m 和80m，海拔高程分别为850m、970m 和950m，距离岸线距离分别为80km、250km和100km。1# 塔数据采集时段为2009 年1 月1 日至2009年12 月31 日，2# 塔数据采集时段为2015 年1 月1 日至2016 年8 月9 日，3# 塔数据采集时段为2012 年8 月26 日至2013 年8 月12 日。

台风影响时段的判别

根据宋丽莉等人的研究，台风强风数据的代表性判别的基本指标是同时满足8 级以上风速的风向连续转换120°以上方位角度。若风速达到了8 级以上，风速的风向连续转换120°以上，则可以认为该段时间为台风经过。另根据相关资料，台风过后风速会有一定程度的突降。参照以上研究结论，对广东(1#)、广西(2#)及浙江(3#)三座测风塔的数据进行分析，可以得出以下结论：1# 测风塔在2009 年9月14 日至2009 年9 月16 日期间受到了台风的影响;2# 测风塔在2016 年8 月1 日至2016 年8 月3 日期间受到了台风的影响;3# 测风塔在2013 年7 月12 日至2013 年7 月14 日期间受到了台风的影响。台风时段风速及风向的变化情况参见图1。

同时经过查询历史台风数据可知，广东省在2009 年9月13 日至2009 年9 月16 日期间受到了台风“巨爵”的影响，广西省在2016 年8 月1 日至2016 年8 月3 日期间受到了台风“妮妲”的影响，浙江省在2013 年7 月12 日至2013 年7 月14 日期间受到了台风“苏力”外围的影响。

本文拟以上述关于台风影响的风况判断指标，择取相关时段，并进行相关分析。

内陆台风影响区域的风能资源特点分析

一、平均风速

由于受到地表摩擦衰减的影响，具备较高风速水平的海洋气流在进入内陆地区后，风能资源水平会较大程度的降低，加之沿海内陆多为山区地形，影响风速的地形因素加重，使得一些地区的风能资源更为复杂。因此，这些沿海省份内陆山区的风能资源情况往往并不是很好，大部分地区的平均风速仅在5.5m/s - 6.5m/s 左右。

经过统计，得到1# 测风塔40m 高度全时段的风速为6.4m/s，2# 测风塔70m 高度全时段的风速为6.6m/s，3# 测风塔80m 高度全时段的风速为6.1m/s。将台风期间数据从整个统计周期中删除之后，上述平均风速无任何变化，台风只会影响到台风月份的月平均风速，而对全年的平均风速几乎没有影响。此类区域风能资源的优劣与台风的影响无关。

二、50年一遇最大风速

采用GUMBEL 分布分别计算两座测风塔50 年一遇最大风速，得到1# 测风塔40m 高度50 年一遇最大风速为45m/s，2# 测风塔70m 高度50 年一遇最大风速为40m/s ，3# 测风塔80m 高度50 年一遇最大风速为31m/s。根据IEC标准可知，1# 测风塔处50 年一遇最大风速属于IEC I 类，2# 测风塔处为IEC II 类，3# 测风塔处为IEC III 类。

目前大部分风电项目的五十年一遇最大风速(Vref) 与平均风速(Vave) 呈近似5 倍的比率关系，这一点在第三版的IEC 标准中(IEC 61400-2 ed3)叙述为：“In the standardwind turbine classes, Vave shall be chosen as：Vave=0.2Vref”。但针对上述三座测风塔而言，1# 测风塔最大风速与平均风速的比率为7.03，2# 测风塔为6.06，3# 测风塔为5.08。除3# 测风塔外，其余两座测风塔均大大超出了IEC规范中的5 倍值，这也是受台风影响地区的一个特点。因此，针对受台风影响的内陆山区，尽管可能距离海岸线已经非常远，但仍需仔细复核50 年一遇最大风速值。

三、湍流强度

针对三座测风塔在台风影响时段和全时段的湍流强度进行统计，如图2 所示，图中绿色线为全时段的湍流强度，黄色线为台风影响时段的湍流强度。从图2 可以看出，针对所有时间段的湍流强度进行统计，三座测风塔的湍流强度均在IEC A 类以下;而针对台风时段的湍流强度进行统计，三座测风塔的湍流强度显著增大，均高于在所有时段下的统计值。在对风电机组的安全性进行校核时，若只采用全时间段的湍流强度进行计算，则会得出偏乐观的结论。台风期间风电机组受力可能会严重超过其设计荷载，因此对风电机组载荷计算时，也应充分考虑台风影响期间的湍流强度。

四、风切变指数

对三座测风塔在台风影响时段的风切变指数进行统计，参见图3。

从风向与风切变指数的关系可以看出，当台风期间风向发生大幅变化时，所对应的风切变指数会突然上升，如图中圆圈所示。这种风切变指数的突然增大，同时伴随着风向的突然改变，将使得风电机组受力情况突然改变，必然对机组的载荷产生较大的影响。

五、气压及空气密度

从台风的特性可知，台风中心的气压比它四周的气压要低。图4 为1#、2#、3# 测风塔记录的台风期间平均风速与气压的变化关系图(上为气压、下为风速)，从数据上可以看出，当风速达到最大值时气压降到最低。

随着气压的降低，测风塔处的空气密度将会有所降低。三座测风塔处在台风期间、台风所处月份及全年的空气密度，如表1 所示。从表1 中可以看出，台风当月及台风时段的空气密度均要低于全年的空气密度。因此在计算标准空气密度下的50 年一遇最大风速时，若采用全年的空气密度，计算结果将偏大。

内陆受台风影响区域技术措施建议

从上述分析可以看出，在内陆受台风影响区域，尽管风能资源水平可能较为一般，平均风速并不是很高，但50年一遇最大风速、湍流强度、风切变指数等指标却显示出这些区域受台风的影响仍然很大，因此在对这些区域进行风能资源评估、微观选址及风电机组选型的时候，需要引起特别的重视。以下就针对这些区域的风能资源相关问题作相关探讨。

一、前期测风

针对内陆受台风影响区域的项目，如广东、广西、福建、浙江、江苏及江西、安徽、湖南南部等地区，从项目最前期竖立测风塔阶段就应引起高度重视。

区别于普通山区风电场的是，此类地区项目的资源监测还应考虑测风装置在台风过境时期的可靠性，以便搜集到完整的台风时期的数据，进而准确评估风电机组的安全等级。与传统台风影响区域不同的是，内陆受台风影响山区可能存在凝冻的现象，因此在这类场区还需要选用抗凝冻的测风设备。

目前风速风向仪总体上可分为机械式和声波式，声波式测风仪不存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题，同时也可测得任意方向上的风速分量。为了保障测风安全可靠，建议在轮毂高度安装两套以上的测量设备，超声波测风装置和机械式测风仪各一套，以减小设备损坏而未记录到台风数据的风险，同时能更为精确的测量湍流强度、入流角等风能资源参数。

二、中期资源评估

(一)原始数据处理及台风识别

在取得一定时段的测风数据并对项目的资源进行评估时，应对测风数据进行仔细筛查，由于受到恶劣台风天气的影响，测风原始数据极易出现问题，应对可疑时段的逐10分钟风速风向最小值、最大值及方差进行仔细甄别，以得到有效的测风数据。在筛选得到有效的测风数据后，可采用本文前节中提到的关于台风时段的识别办法，初步判断本项目场区受台风的影响程度。

(二)风电机组选型

在风电项目的前期阶段，对风电机组的技术选型主要集中于平均风速、湍流强度及50 年一遇最大风速等指标。由于内陆受台风影响区域的平均风速不是很高，因此风电机组选型的焦点就集中在湍流强度和50 年一遇最大风速上。

台风区域50 年一遇最大风速的评估一直是一个难题，建议采用多种方法对该参数进行计算。在受台风影响的区域，应尽可能多收集周边气象站记录到的台风信息，根据气象站多年台风资料计算50 年一遇最大风速，并根据相关关系推算至风电场;同时应尽可能的增加测风塔的观测时间，利用较长的测风时间序列建立Gumbel 模型，以计算50 年一遇最大风速，并与气象站计算所得结论进行对比。最终建议取相对保守值来进行风电场各个机位50 年一遇最大风速的推算。同时也可搜集临近已经建成项目的相关信息，以降低项目风险。

根据台风区域风电项目的运行经验，极风其实并不是使风电机组损坏的主因，而台风期间的高湍流强度才是引起风电机组损坏的致命因素。风电机组厂家在进行风电机组载荷的计算时，除了考虑全年平均的湍流强度外，也应重点关注台风时期的湍流强度，以便选择更为可靠的风电机组或针对某些部件进行结构方面的加强设计。与传统沿海平坦风电项目不同的是，内陆山区风电场的湍流强度还会很大程度上受到地形的影响。根据IEC 61400-2 ed3 可知，在复杂地形对风电机组进行载荷分析时，全风速段的湍流强度还应乘以1.15 倍的放大系数。

(三)风电场发电量的计算

复杂山区风电项目的资源评估和发电量的计算是一个复杂的课题，目前常用的适用于复杂地形的软件有Meteodyn WT、Windsim 等，但没有任何一个模型能够得到十分准确的结论。因此，对于此类地区的发电量计算，建议采用多种软件进行模拟，同时通过多个测风塔互相推算的方式来验证模型的可靠性。

在项目的前期评估阶段，针对受台风影响的风电场发电量计算时应相对保守。尽管台风到来之前和台风过后的风速可以用来发电，但这些时段的湍流强度大，风向多变，风切变也较大，使风电机组的安全存在很大的隐患，因此这些时段是否可以实现发电更多，取决于风电机组的控制策略以及风电场的管理水平。在前期资源评估中计算发电量时，建议将整个台风影响时段的发电量按零来考虑，以降低项目评估的风险。

三、后期运营维护

台风的结构复杂，目前国内外对台风的研究还无法满足风电项目的要求，还没有任何软件能够对台风的过程进行模拟分析。对于已建成的风电场而言，唯有加强风险识别，通过管理和技术的手段来预防台风风险。

台风期间往往伴随很多极端的气候现象，如暴雨、洪水等，受其影响电网往往首先断电，进而使风电机组断电失去抗风险能力。因此，在风电场应配置备用柴油发电机，以便在电网断电时风电机组能够主动偏航，正面迎风顺桨。

风电场也应同气象部门通力合作，跟踪台风的移动路径，提前做好防范策略，最大限度地减少台风对风电场的破坏;同时也应与风电机组厂家紧密配合，在风险可控的前提下，充分利用台风过境前后的有利时段，提高发电效益。

结语

本文以广东、广西及浙江三座测风塔为参考，分析了台风期间的相关风参数后得出：沿海内陆山区风能资源受台风影响，可能存在着“平均风速不大，但在特定时段上最大风速、湍流强度、风切变指数等风况指标奇高”的特点，部分项目尽管已经远离海岸线200km 以上，但所受台风影响仍然不容忽视。对于此类风电项目，可以看作沿海台风项目与山区复杂地形项目的结合。两者的结合增大了风能资源评估的难度，尤其是针对风电机组安全性评估的难度。除对整个测风时段进行分析外，还应单独评估台风影响时段的相关技术参数，以降低项目风险。

（编辑：东北亚）

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