中国高海拔地区风能资源特性与风电开发研究
2014-10-14 11:49:30 来源：中国船舶与海洋工程网信息中心

随着中国风电的快速发展，风电市场开始从“三北”地区向人口密集、电力负荷大、接入条件优的南方地区发展，但这些地区大多地形复杂、建设条件差，风能资源一般，针对特殊的项目环境条件，“低风速”、“高海拔”、“防台风”等概念被提出。国家能源局“十二五”第二批、第三批及增补拟核准项目总量约50GW，其中云南、贵州、青海等高海拔地区容量合计约7.1GW，占比约15%，开发容量可观。但在云贵地区风电开发建设和运行过程中，却逐渐暴露出一些问题，原因主要在于对高海拔地区气候、风况特性了解不够，风能资源前期评估工作粗放，风电机组可靠性和适应性低。

　　本报告主要基于云贵高原和青海地区进行风特性的研究，分析该地区风速、风向、湍流、切变等风特性，总结不同地形、地貌及气候背景下高海拔地区风特性的差异性和关联性，同时通过已运行风电场的后评估经验，为后续高海拔地区风电开发及风电场建设、运行提供更有力的理论与经验基础。

　　高海拔地区地理特性

　　中国地区海拔在2000m以上的区域包括青藏高原、云贵高原、青藏高原与黄土高原交界、天山山系(见图1a)。青海东北部由阿尔金山、祁连山数列平行山脉和谷地组成，平均海拔4000m以上，西北部是阿尔金山、祁连山和昆仑山环绕的柴达木盆地，海拔600m-3000m之间(见图1b);云贵高原位于雪峰山以西，大娄山以南，哀牢山以东，地势西北高，东南低，西部海拔在2000m以上，高原地形较为明显，山地顶部多呈宽广平坦地面，或呈和缓起伏地面，东部起伏较大，山脉较多，海拔在1000m-1500m之间(见图1c)。云贵高原西部主要在云南省境内，山岭基本上以南北走向为主,如点苍山、乌蒙山和龙山等;东部主要在贵州省境内，山岭基本上是东北一西南走向。

　　高海拔地区风的特性

　　一、风速分布

　　云贵高原整体西高东低、北高南低，有高山、平坝、峡谷、丘陵、隆升地形，海拔在2000mm-3500m之间，该区域地形基本为南北走向的单一、狭长山体，风速与海拔高度呈一定的梯度变化关系如图2所示，一般情况下海拔越高、风速越大，由于海拔差异大，风速差异大，70m高年平均风速约在6m/s-10m/s之间。

　　青海省北部和西北部主要为山岭谷地，东部为河湟谷地，西部为柴达木盆地，风电项目拟开发区域海拔一般在2700m-3500m之间，地形为平坦的荒漠、戈壁滩，风能资源分布较平均，差异不大，如图3所示，70m高风速一般在5m/s-7m/s之间，属于低风速区。

　　二、风切变特征

　　风切变反映了风速随高度变化的规律，与地形地貌、地表粗糙度、热力稳定度相关，其中，地形地貌对风切变的影响比地表粗糙度更明显，尤其是陡峭地形，在迎风坡和背风坡度大于30%的山脊上，背风侧会出现湍流区，在一定条件下，风速随高度的增加会减小，即负切变。故不同地形、地表及热力稳定度条件下，风切变的大小是有规律可循的。

　　青藏高原属于平坦的荒漠、戈壁滩地形，地表粗糙度小，风切变较小，一般小于0.12。

　　云贵高原地区属于高山山岭地形，东部部分山体相对平缓，西部山体陡峭，地表主要分为高山草甸和茂盛植被覆盖两类，大多情况下风切变较小一般小于0.05，但30m-50m高度层易出现负切变现象，主要原因为山体陡峭，低层加速效应，导致高低层风速差异小，故形成较小切变，部分地区因低层加速明显，导致某高度层出现负切变。另外，树林、灌木等植被会引起低层切变很大、高层负切变现象，如下图4、图5所示。

　　总之，青海地区热力稳定度多不稳定、地表粗糙度小，地形变化不大，故整个区域风速随高度变化不大，切变小;而云贵高原地区地形、地貌复杂，地表植被多样化，风速随高度变化存在一定的规律性但又存在特殊性，分析时需全面考虑各种因素，现场考察尤为重要

　　三、湍流强度

　　湍流强度代表10min内风速随机变化幅度大小，影响风电机组的疲劳载荷，是IEC61400-1风电机组安全等级分级的重要参数之一。IEC61400-1-1999标准中，通过湍流强度特征值(平均湍流强度Iref+1*湍流标准差σ)作为衡量湍流强度的标准。

　　(一)高海拔地区湍流特征

　　云贵高原地区湍流基本呈现两种特征，见图6，连绵平缓的高山草甸地形下，湍流较小，强风速度段(>10m/s)平均湍流强度基本低于0.09，湍流标准偏差σ在0.02-

　　0.03之间，15m/s湍流强度特征值一般小于0.12，湍流很小;见图7重叠连峦、陡峭、植被丰富的高山地形下，强风速段湍流呈现“上翘”的特征，平均湍流一般在0.12-0.14之间，湍流标准偏差σ在0.04-0.055之间，15m/s湍流强度特征值较大在0.16-0.18之间，特殊条件下，湍流甚至超过A类标准。

　　青藏高原地区属于平坦的戈壁滩，湍流很小，15m/s湍流强度特征值一般小于0.1，见图8。

　　(二)成因分析

　　廖明夫等在《风力发电技术》中提出大气湍流的两个主因是风切变和热对流，风切变受地形、地貌、粗糙度和热力稳定度影响;热对流湍流是地面上、下层气流温度差引起的热对流。通常情况下，上述两个原因往往同时导致湍流的发生。

　　地形改变风切变规律，原则上山丘或山脊顶部风会加速，见图9，圆形平缓山包地形下，风流附着地表层流，风速随高度增加而增大，上下对流不明显，湍流小;而陡峭地形下，背风侧出现湍流区，湍流影响区域的范围、大小、强度等取决于地形的坡度、弯度、地表粗糙度、风速等。

　　云贵高原地区，很好的验证了上述理论结果，该地区湍流受地形、地貌、地表粗糙度影响大，表现不一，故在进行测风数据分析及机组设计排布时需慎重考虑以下几点：

　　(1)测风塔的代表性问题，测风塔位置所体现的湍流、切变等特征能否代表整个风电场，是否存在特殊性或局限性;

　　(2)排布设计时应尽量避开背风坡区域，以降低湍流对机组载荷带来的不利影响;

　　(3)植被丰富或较高树木的区域，应考虑适当提高风电机组轮毂高度，增大叶尖离地距离，减少湍流影响。

　　青海地区日夜温差大，大气不稳定，易形成热力对流，造成湍流日变化大，见图10。

　　四、风向

　　云贵高原常年西南季风，西部风能资源好于东部。我国南方大部分地区气候受青藏高原影响较大，冬季西风气流遭阻挡，分为南北两支，形成北脊南槽的环流形势;夏季，西南季风向北推进时，受阻于青藏高原分为两支，一支向西，另一支沿山脉走向，流向中国，扩大西南季风的影响范围。故云贵地区风向高度集中在SW、WSW，非常利于风能资源的充分利用。图11为云南地区主风能风向示意图。

　　青藏高原冬季为冷源，边界层里常出现冷高压，高原北部盛行西风，南部盛行东风;夏季相反，青藏高原为热源，边界层里多出现热低压，高原北部盛行东风，南部盛行偏西风。图12青海北部地区主风能风向示意图。

　　高原地区风向共同特点：

　　(1)风向高度集中，进行微观选址设计时，应尽量加大平行于主风能风向间间距，适当减小垂直于主风能风向机组间间距，尤其单列机组;

　　(2)风向高度集中，风质量好，偏航控制策略损失小，综合折减系数高。

　　五、风险因子

　　(一)冰冻

　　下图13为云、贵、四川、青海等气象基本站1971年-2000年年平均相对湿度分布图，云南地区相对湿度范围在60%-80%之间，滇南湿度大于滇北，这主要与西南季风带来的暖湿气流相关;贵州西部及四川中部湿度较大，相对湿度基本大于80%，四川西部相对湿度呈减小趋势，范围大概在50%-65%之间;青海省盆地地形相对湿度较小，一般小于30%，高原地带相对湿度在50%-65%之间。

　　可见，云贵高原地区相对湿度大，年平均相对湿度在70%以上，尤其高原东部的贵州地区湿度基本在80%以上，易形成冰冻、凝露等现象。

　　通过已运行的贵州某风电场实时监测数据，见下图14和图15，云贵地区风电场面临以下几个问题：(1)目前大多测风塔测风仪无加热装置，冰冻期数据基本无效，尚无客观有效的方法进行有效订正，给风能资源评估工作带来一定的不确定性;(2)风电机组舱顶测风仪器易冻结，导致机组控制系统失灵;(3)叶片结冰后，造成叶片翼型改变，机组出力明显下降，同时影响叶轮的平衡，致使机组故障停机，造成发电量损失;(4)结冰会影响机组载荷变化，增加部件疲劳损伤或倒塌，存在很大的安全性问题。故在云贵高海拔地区进行风能资源评估工作时，应充分考虑冰冻因素并进行相应的风险评估，以保证机组的安全运行。

　　(二)阵风

　　在风电场实际运行过程中，发现云南高海拔项目地区存在一种特殊的现象，即风速在短时间内突增或突减，根据风速变化特点，本报告简称该现象为“阵风”，下图16为云南某风电场2月份运行机组记录到的“阵风”出现时段分布图，可见，在12:00-20:00时段出现比较集中，2月9日出现频次最高;“阵风”出现有一定的周期性，并非每日都会出现，有一定的间歇期，应该与天气系统周期性变化相关，后期可获取更长序列数据进行研究分析。

　　选取“阵风”出现频次较高的2月9日每7s间隔实测风速数据进行分析，见下图17，红色代表风速每7s间隔风速日变化曲线，蓝色代表前后间隔风速距平变化曲线，可见，0:00-10:00之间风速相对小些，风速瞬时变化小，而10:00-18:00期间，风速较大，风速突变明显;风速前后距平风速差主要在1m/s-3m/s之间，最大达8m/s，风速短时间内变化大。

　　风速、风向短时间内的突变，会导致风电机组偏航频繁，风电场经常出现尖峰出力现象，出力波动大，这对机组正常运行及载荷带来很大的不确定性，应予以重视并采取控制风险措施。而高原气象很复杂，动力、热力及特殊地形的多重作用，形成高、低空急流、西南涡等特殊的天气系统，要探究“阵风”现象的成因则需要更深入、更全面、专业的研究，后期将对该区域通过测风监控、长序列运行数据收集、天气系统监测等一系列手段深入研究，为机组研发设计及风电场安全运行提供更好的解决措施和方法。

　　(三)高原型气候

　　高海拔特殊气候环境下，风电机组面对低气压、高辐射、多雷暴等恶劣的自然环境条件，材料易老化、电气设备的绝缘和散热、防雷问题等对机组的安全运行带来很大的风险和不确定性。除了根据高海拔气候环境着重器件的选用，控制系统对机组设备工作环境的监控与设备故障预诊断非常重要，同时设备长期运行的可靠性和维护量尤为重要。

　　结语

　　本报告针对云贵高原和青海等风电高速发展的高海拔地区，分析了该地区风速、风向、湍流、切变等风特性，总结了不同地形、地貌及气候背景下高海拔地区风特性的差异性和关联性，同时通过已运行风电场的运行经验，指出高海拔地区风电场建设和运行的主要风险点，结论如下：

　　(1)云贵高原地区，海拔差异大，70m高年平均风速约在6m/s-10m/s之间，风速差异大;青海地区，地形为平坦的荒漠、戈壁滩，风能资源分布较平均，差异不大，70m高年平均风速一般在5m/s-7m/s之间，属于低风速区。

　　(2)云贵高原地区山地地形、地貌复杂，地表植被多样化，风速随高度变化存在一定的规律性但又存在特殊性，陡峭、平滑的高山草甸地形，风切变较小一般小于0.05，高层易出现负切变，而植被丰富的山地地形，切变大，故分析评估时需全面考虑各种因素，现场考察尤为重要;青海地区热力稳定度多不稳定、地表粗糙度小，地形变化不大，故整个区域风速随高度变化不大，切变小，一般小于0.12。

　　(3)云贵高原地区湍流基本呈现两种特征，连绵平缓的高山草甸地形下，湍流较小，一般小于0.12;重叠连峦、陡峭、植被丰富的高山地形下，强风速段湍流呈现“上翘”的特征，15m/s湍流强度特征值较大在0.16-0.18之间，特殊条件下，湍流甚至超过A类标准。青海地区，地形平坦，地表粗糙度小，湍流小，一般小于0.1。

　　(4)云贵高原及青海地区，受大气候背景及青藏高原影响，风向高度集中，有利于风能资源的充分利用。

　　(5)高海拔地区特殊的气候条件，对风电机组的正常运行带来很大的不确定性，增加了风电开发和运行风险。