一種新型的風(fēng)電場50年一遇安全風(fēng)速計(jì)算方法的對比分析

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

2、結(jié)果比較接近。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：50年一遇最大風(fēng)速; 極值I型函數(shù)、EWM模型 </p><p>　　中圖分類號：P412.16 文獻(xiàn)標(biāo)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(fēng)電場建設(shè)的最基本要求是風(fēng)能資源豐富，風(fēng)向較穩(wěn)定的區(qū)域。但隨著國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，就地消

6、納困難，大規(guī)模并網(wǎng)及遠(yuǎn)距離傳輸對電網(wǎng)提出更高的要求等問題凸顯等，能用于開發(fā)的較好風(fēng)資源越來越少，剩余的風(fēng)資源區(qū)域大多為偏遠(yuǎn)地帶或較差風(fēng)資源地帶。這種風(fēng)電場對風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出更大的挑戰(zhàn)。如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全性能校核不好，易造成風(fēng)機(jī)倒塌事故的發(fā)生，給投資商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時，為風(fēng)機(jī)制造商帶來不利影響。依據(jù)IEC與GL風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，50年一遇10分鐘最大風(fēng)速是風(fēng)電機(jī)組承受其極限載荷的關(guān)鍵的性能指標(biāo)，也是風(fēng)電機(jī)組最終選型的關(guān)

7、鍵指標(biāo)之一，故對風(fēng)電場內(nèi)輪轂高度50年一遇最大風(fēng)速的準(zhǔn)確性判斷顯得尤為重要。 </p><p>　　目前，國內(nèi)多采用《全國風(fēng)能資源評價(jià)技術(shù)規(guī)定》[1]中極值I型概率分布函數(shù)，結(jié)合風(fēng)電場區(qū)域氣象數(shù)據(jù)推算本區(qū)域內(nèi)10米高度的50年一遇的極大風(fēng)速。隨后，利用氣象數(shù)據(jù)與測風(fēng)塔數(shù)據(jù)之間相關(guān)性及風(fēng)切變函數(shù)，推算風(fēng)電場輪轂高度處50年一遇的最大風(fēng)速。除此之外，GL風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中也提出一種EWM(Extreme wind

8、 speed mode)模型計(jì)算風(fēng)電場50年重現(xiàn)期的最大風(fēng)速公式。通過這兩種方法對實(shí)際工程中計(jì)算結(jié)果的比較分析，探討一種新型的50年一遇最大風(fēng)速計(jì)算方法的可行性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。 </p><p>　　1、風(fēng)電場項(xiàng)目介紹 </p><p>　　風(fēng)電場50年一遇的最大風(fēng)速是風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行基本保障,依據(jù)IEC風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型標(biāo)準(zhǔn)，須明確風(fēng)電場50年一遇的安全風(fēng)速，才能正確地選擇風(fēng)

9、力發(fā)電機(jī)組，保證風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)性與安全性。本文選取中原地區(qū)不同復(fù)雜程度的4個風(fēng)電場與1個“三北”風(fēng)電場，輔以風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)氣象數(shù)據(jù)與測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，對這5種類型的風(fēng)電場50年一遇的最大風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算與數(shù)據(jù)對比分析，尋求兩種計(jì)算方法的各自點(diǎn)。A風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電場地形較為平坦，場地開闊； </p><p>　　2、風(fēng)電場的安全等級 </p><p>　　風(fēng)電場的安全等級是保證風(fēng)機(jī)在承受極限載荷條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行,實(shí)際工程應(yīng)用中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等級即是風(fēng)電場的安全等級，其包含三個方面：年平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度及50年一遇最大風(fēng)速，其設(shè)計(jì)依

11、據(jù)IEC風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分類標(biāo)準(zhǔn)。按照最新2005版IEC標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)機(jī)劃分為四類，見表2-1[2]。 </p><p>　　表2-1 風(fēng)電機(jī)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(fēng)能資源評價(jià)技術(shù)規(guī)定》，風(fēng)電場最大風(fēng)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>　?。?）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(fēng)速最大值，用w表示。因風(fēng)速是離散數(shù)據(jù)，按照數(shù)學(xué)期望E(w)和標(biāo)準(zhǔn)方差σ計(jì)算公式，可得到有限樣本內(nèi)的平均值 和標(biāo)準(zhǔn)方差σ。分布的尺度參數(shù)α與均值 及標(biāo)準(zhǔn)差σ之間的關(guān)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(fēng)能資源評價(jià)技術(shù)規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)附表中查得。C1、C2數(shù)值見表3-1，n代表測風(fēng)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(fēng)速：以年為一個自然周期定義年最大風(fēng)速，極值定理選取的樣本以年最大風(fēng)速值測量的。從概率分布的角度分析，兩次重復(fù)出現(xiàn)相同10分鐘平均最大風(fēng)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(fēng)速一次的概率為1/T，故小于該風(fēng)速的概率，即重現(xiàn)期為T的風(fēng)速計(jì)算公式如下： </p><p><b>　?。?） </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(fēng)速。 </p><p>　　依據(jù)公式（3）、（4）、（5）、（6）、（7）可求出風(fēng)電場10米高度重現(xiàn)期為T的最大風(fēng)速。 <

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

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

18、必須依據(jù)參考風(fēng)速Vref來計(jì)算。然而對于標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全等級，50年一遇的極大風(fēng)速Ve50和1年一遇的極大風(fēng)速Ve1可作為高度函數(shù)，高度用Z表示，對應(yīng)高度的計(jì)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(yù)期的極大風(fēng)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>　?。?）對于湍流的極大風(fēng)速模型，10分鐘的平均風(fēng)速是高度（Z）的函數(shù)表達(dá)式，關(guān)于50年或1年重現(xiàn)期對應(yīng)高度的函數(shù)可用等式加以表達(dá)： </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(yù)期的極大風(fēng)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(fēng)速模，輪轂高度處Vhub平均風(fēng)速可用認(rèn)為是Vref或0.8 Vref。應(yīng)用湍流風(fēng)速模型必須與標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型NTW（Normal turbulence model）保持一

21、致，即縱向湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差：σ1=0.11Vhub。 </p><p>　?。?）對于EWM風(fēng)速模型的載荷計(jì)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(fēng)速的模擬運(yùn)行周期須至少10分鐘。 </p><p>　　對于湍流型極大風(fēng)速的載荷仿真模擬，載荷計(jì)算與評估的內(nèi)容須遵守GL標(biāo)準(zhǔn)中載荷評估的方法。 </p><p

22、>　　對于湍流型極大風(fēng)速的載荷仿真模擬，采用的風(fēng)須依據(jù)不同的初始值（種子）生成的風(fēng)。 </p><p>　　如果計(jì)算塔筒部分載荷，風(fēng)速區(qū)域須包含完整部件（輪轂與塔筒）。或者得到GL標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)速是風(fēng)電場50年一遇的最大風(fēng)速模型。通過上述公式（10）、(11)可推導(dǎo)出如下內(nèi)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(fēng)速。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電場至少提供一年測風(fēng)數(shù)據(jù)。因此，假定風(fēng)電場為一年重現(xiàn)期，可獲得風(fēng)電場一年重現(xiàn)期最大風(fēng)速。依據(jù)公式（12），即可得到風(fēng)電場50年一遇的最大風(fēng)速，而這個值可認(rèn)為是輪轂高度處的參考風(fēng)速。 </p><p><b>　　4、工程實(shí)例 </b>

24、</p><p>　　4.1 極值I型最大風(fēng)速計(jì)算方法 </p><p>　　該方法是以風(fēng)電場區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取氣象數(shù)據(jù)中大于風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速以上的風(fēng)速與測風(fēng)塔高度處大于風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速以上的風(fēng)速做線性相關(guān)，得到對應(yīng)的相關(guān)函數(shù)。利用該函數(shù)可得到測風(fēng)塔高度處50年一遇的最大風(fēng)速。最后，通過風(fēng)切變數(shù)據(jù)得到風(fēng)機(jī)輪轂高度處50年一遇的最大風(fēng)速。實(shí)際案例的計(jì)算結(jié)果見表4-1。 </p>

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

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

27、　　從技術(shù)層面上看，山地風(fēng)電場，考慮地勢的海拔高度與周圍地理位置的因素，因風(fēng)電場內(nèi)各個風(fēng)機(jī)機(jī)位海拔高度不同影響風(fēng)速變化，最終導(dǎo)致風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差與湍流強(qiáng)度存在差異，對計(jì)算結(jié)果可能會造成影響較大。而對地勢較為平坦風(fēng)電場，風(fēng)速不受周圍地勢的影響，風(fēng)速與湍流強(qiáng)度比較穩(wěn)定，對計(jì)算結(jié)果造成影響較少。 </p><p>　　從計(jì)算方法上看，嚴(yán)格意義上講兩種計(jì)算方法均存在局限性。公共特點(diǎn)：測風(fēng)數(shù)據(jù)只是代表了風(fēng)電場某一點(diǎn)風(fēng)資源數(shù)據(jù)，

28、采用一點(diǎn)風(fēng)資源數(shù)據(jù)外推整個風(fēng)電場區(qū)域存在某些不確定因素。特別是對山地風(fēng)電場，地形比較復(fù)雜且風(fēng)電場范圍較大的情況下，測風(fēng)塔測量得到數(shù)據(jù)存在狹隘性。對極值I型計(jì)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(fēng)電場較遠(yuǎn)且測風(fēng)高度處風(fēng)速是通過線性相關(guān)推算的，中間轉(zhuǎn)換過程會增加誤差。而對于EWM湍流極大風(fēng)速模型，雖然最大風(fēng)速由測風(fēng)數(shù)據(jù)直接推算出來，但風(fēng)速存在大風(fēng)年與小風(fēng)年現(xiàn)象。 </p><p>　　綜上，

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

30、國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的日益成熟，業(yè)界人士越來越來關(guān)注50年一遇的最大風(fēng)速計(jì)算方法，因?yàn)樗秋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行先決條件。雖然在一定條件下，風(fēng)機(jī)極限載荷設(shè)計(jì)值越大越好，可適應(yīng)更多的風(fēng)電場安全風(fēng)速。但這會增加社會的經(jīng)濟(jì)成本。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，依據(jù)不同風(fēng)電場實(shí)際情況，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將會獲取更多風(fēng)電場50年一遇的最大風(fēng)速的計(jì)算方法。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b>&

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