电子论文-风资源评估概述.pdf

第 2 9 卷 第 5 期 2 0 0 7年 5月 水利 电力机 械 W ATE R C0NS ERVANC Y EI 正CTRI C POWER MACHI NERY V0 1 2 9 No 5 Ma y 2 0 0 7 专 题 f d 坛 风资源评估综述 Ev a l u a t i o n o u t l i n e o f wi n d r e s o u r c e s 张洋 刘雪枫 李强 Z H A N G Y a n g L I U X u e f e n g L I Q i a n g 2 1 华北水利水电学院 河南 郑州4 5 0 0 1 1 2 河南电力试验研究院 河南 郑州4 5 0 0 5 2 1 S c h o o l o f E l e c t ri c P o w e r o f N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y and E l e c t ri c P o w e r Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 C hi n a 2 H e n a n E l e c t ri c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 2 C hi n a 摘要 针对风力发电场可行性研究阶段风资源评估的有关工作 内容进行了综合阐述 风力发电是我国重 要的后续能源之一 大力发展风电对我国能源供应和环境保护极为重要 风资源的测量和评估水平直接影 响风电场选址和发电量预测 进而影响风电场的投资决策 关键词 风力发电 风资源 威布尔分布 年发电量 中图分类号 T K S 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 6 4 4 6 2 0 0 7 0 5 0 0 7 2 0 4 Ab s t r a c t Wi n d p o w e r i s an i mpor t a n t a l t e r n a t i v e e n e r g y I t i s o f g r e a t i mpo rt anc e f o r e n e r gy s u p p l y an d e n v i r o n me n t a l p m t e c t i o n t o d e v e l o p w i n d p o we r i n a l a r g e s c ale i n c hina T h e me a s u r e me n t an d e v al u a t i o n l e v e l o f w i n d r e s o u r c e s a ff e c t t h e l o c a l i ty l ecfi o n an d the p r o d u c t i o n f o r e c ast d i r e c t l y t h e r e b y aff e c t 山e i n v e s t me n t d e c i s i o n Th e c o n t e n t i n r e l a t i o n t o the e v alu a t i o n o f wi n d r e s o urc e s d u r i n g the s t u d y s t a g e o ff e asi b i l i ty for w i n d powe r p l ant i s p r e s e n t e d Ke y wo r d s w i n d powe r g e n e r a t i o n w i n d r e s o u r c e We i b u l l dis t ri b u t i o n a n n u al p r o d u c ti o n 0 引言 随着化石能源的日益稀缺 全球环境的恶化 开 发可再生清洁能源成为各 国的能源 目标 风力发 电 技术较成熟且可靠性高 它是发展最快的新型能源 在风电场建设的可行性研究阶段需要对拟建风 电场 进行风资源评估 评估的目的主要是为确定风电场 的装机容量和风力发电机组选型及布置等提供依 据 便于对整个项 目进行经济技术评价 风资源测 量和评 估水平直 接影响风 电场选址 以及发 电量 预 测 最终反映为风电场建成后的实际发电量 1 风资源评估需要的基础资料 调查结果表明 1 我国大部分风电场的年平均 容量系数仅为 0 2 1 0 2 4 有些风电场的单机年平 均容量系数仅为 0 1 6 0 1 8 影响发电量的主要因 素是场址上的风资源较差 据调查 目前许多风电 场建成投产后实际的年平均发电量比预测值要低 2 0 3 0 还有极少 数风 电场甚至低达 4 0 导 致该结果的一个重要原因就是风资源的测量和评估 存在问题 风电场 的风资源分析评估 一般 除收集 当地气 象站近期 3 0 年的常规气象资料外 还应收集整理风 电场场址处至少连续 1 年 1 0 m高处的风速 风向整 编资 料 且 收集 的 有 效 数 据 不 宜 少 于 收 集 期 的 9 0 2 j 故一般拟建风电场场址处都应设立观测站 进行 l 3年的连续风速 风 向观测 观测项 目主要为逐 时的 1 0m i n平均风速 风 向 资料 一 般采用 自记 方式 必要 时可进 行温度 湿 度 大气压等项 目的观测 以便和当地的气象站资料 进行对比分析 风观测高度应选在离地 1 0 m高处 还应包括风力发电机机头预期安装的高度 一般分 2 3 层 高度一般在 1 0 m 3 0 m 40 m 测量数据精度 应在所用仪器的规定误差范围内 收稿 日期 2 0 0 6 0 2 2 6 作者简介 张洋 1 9 7 8 一 女 黑龙江友谊人 华北水利水电学院助教 工学硕士 从事电力系统分析和风力发电方面的教学和研究工作 维普资讯 第 2 9卷第 5期 张洋 等 风资源评估综述 7 3 2 对观测数据的分析计算 风资源评估一般需对观测资料进行 以下几个项 目的分析计算 2 1 风的日 月变化规律 一 般应挑 出一个典型 日和一个典型月 典型 日 逐时 的风速变化能反映风的一般 日变化规律 典 型 月逐 日的风速变化能反 映风的一般月变化规律 并 绘制典型 日的逐时及典 型月的逐 日变化柱状图 2 2 年风速风 向频率统计 此项 目的统计可按常规方法 根据统计结果绘 制全年风 向玫瑰图及风速玫瑰图 2 3 年有效小时数 风机有切入和切出速度 切入速度一般为 3 m s 或 5 m s 切出速度一般取 2 5 m s 或 2 7 m s 从切入 到切 出之间的风速称为有效风速 有效风速 的范 围 一 般因风机的产地及功率而有所不同 统计 出每年 累计风速值在有效风速范 围内的小时数 然后将历 年值平均 即得年有效小时数 2 4 各等级风速频率 将风速值 按 1 m s间隔划分为若干等级 统计 各等级风速出现 的次数 各等级次数除 以各等级风 速 出现的总次数 即为此等级风速频率 根据统计结 果绘制各等级风速频率图 2 5 风能的计算 3 2 5 1 风能公式 风能的利用主要将它 的动能转化为其他形式的 能 因此 计算风能的大小也就是计算气流所具有的 动能 按有效风速计算的风能密度称为有效风能密 度 在单位时间内以风速 穿过面积为 s的风轮的 总功率 即风能的功率为 s 1 式中 风能的功率 w p 空气 的密度 k g m 3 s 风机叶片旋转一周的扫掠面积 m 2 风速 m s 由式 1 可 以看 出 风能大小 与所流通 过 的面 积 空气密度和气流速度的立方成正比 因此 在风 能计算中 最重要的因素是风速 风速取值准确与否 对风能的估计有决定性作用 为了衡量一个地方风能的大小 评价一个地区 的风能潜力 风能密度是最方便和有价值的量 风 能密度是气流在单位时间内垂直通过单位截面积的 风能 将式 1 除以相应的面积 s 当 S 1 便得 到 了风功率密度公式 也称风能密度公式 即 1 p v W m 2 2 由于风速是一个随机性很大的量 必须通过一 定长度的观测来 了解它 的平均状况 因此 在一段 时间长度 内的平均风能密度 可 以将上式对时间积 分后平均 当知道了在 t 时间长度 内风速 的概率 分布 P 后 平均风能密度就可计算出来 从风能公式 1 中可以看出 p的大小直接关系 到风能的多少 特别是在 海拔高 的地 区 影 响更突 出 所以 计算一个地点的风能密度 需要掌握的量 是所计算 时间区 间下 的空气密度 和风速 另一方 面 由于地形复杂 空气密度的影响也必须要加以考 虑 空气密度是气压 气 温和温度的函数 其计算公 式为 1 2 7 6 P一0 3 7 8 p w l0 1 0 0 0 3 6 6t 1 0 0 0 式 中 P 气压 h P a t 气 温 p 一水汽压 h P a 2 5 2 风能功率密度的计算 风速一般均为偏正态分布 一般来说 风力愈大 的地区 分布曲线愈平缓 峰值降低右移 这说明风 力大的地区 一般大风速所 占比例也 多 通常用 于 拟合风速分布的线型很多 而威布尔分布双参数 曲 线被普遍认为适用于风速作统计描述 的概率密度函 数 威布尔分布是一种单峰 2参数 的分布函数簇 其概率密度可表达为 P 詈 詈 k 1e x p 一 詈 4 式中 k和 C 为威布尔分布的 2个参数 k称作 形状参数 C称作尺度参数 当 C 1 时 称为标准威布尔分布 形状参数 k 的改变对分 布曲线 型式 有很 大影响 当 0 k 1 时 分布的众数为 0 分布密度为 的减函数 当k 1时 分布呈指数型 k 2时 便成为瑞利分布 k 3 5 时 威布尔分 布实际 已很接近 于正态分布 经 国内外广泛研究结果表明 威布尔分布是一种形式 简单且又能较好地按拟合实际风速分布的概率模 型 被公认为风能分析的有用工具 2 5 2 1 平均风能功率密度计算 根据风能式 1 可知 为p和 2 个随机变量 维普资讯 7 4 水利电力机械 2 0 0 7年 5月 的函数 因此 的数 学 期 望 值 为 吉E ID E 3 3 x C N 点而言 P 的变 化可 忽略 不记 因此 的变化主要是 随机变化所决定 这 样 的概率密度只决定风速的概率分布特征 即 E I V 1 5 风速立方的数学期望 E l D d J 0 f o 詈 詈 k le x p 一 If 0 v 3 e x p 一 詈 詈 唧 令 y 詈 即 詈 y l k 13 J d 詈 y 所以 1 3 I c Y e x p 一 d y r c I e x p 一 d y c r 3 k 1 可见 风速立方的分布仍然是一个威布尔分布 只不过它的形状参数变为 3 k 尺度参数为 c 因 此 只要确定了风速的威布尔分布的 2 个参数 c和 k 风速的立方的平均值便可以确定 平均风能密度 便可以求得 即 1 3 r 2 5 2 2 有效风能功率密度计算 r 一 e x p 一 d 8 2 5 2 3 风能可利用时间 在风速概率分布确定以后 还可以计算风能的 可利用时间 有效风能范围内的风能可利用时间可 以由下式求得 即 v 詈 一 e x p 一 詈 d e xr p C 一 一 e x p 一 9 式 中 为统计时段 的总时间 综上所述 可以看 出 只要给定 了威布尔分布参 数 c 和 k 平均风能密度 有效风能密度 风能可利 用小时数都可 以方便地求得 知道 了分布参数 c k 风速的分布形式便给定了 而不需要逐一查阅和 重新统计所有的风速观测资料 它无疑给实际使用 带来许多方便 研究结果表 明 威布尔分布不仅可 用于拟合地面风速分布 而且也可用于拟合高层风 速分布 其参数在近地层中随高度的变化很有规 律 当知道了一个高度风速的威布尔分布参数 便 不难根据这种规律求出近地层中任意高度风速的威 布尔分布参数 由于这些特点 使得用威布尔分布 拟合风速频率分布较之用其他分布拟合更为方便 6 3 风电场年发电量的计算 根据式 6 还可以进一步计算有效风能密度 在有效风速范围内 设风速分布为 P 风速立方 的数学期望为 E r 2 3 p d J 1 f z P J k e x p 一 一 e x p 一 V v 3 v k e x p 一 d 7 式 7 可通过数值积分求得 因此有效风能密 度便可计算出来 即 1 一 单机年发电量为年平均各等级风速 有效风速 范围内 的风速小时数乘此风速等级对应的风机输 出功率的总和 其计算公式如下 G N i IV i 式中 G 发电量 k W h 相应风速等级出现 的全年累计小时 数 h 风机此等级风速 下对应 输出功 率 k W 风 电场年发电量为各单机年发电量的总和 计 算采用的风机功率表或功率曲线图必须是厂家提供 的 由权威机构测定的风机功率表或功率曲线图 在常温 1 5 的条件下 标准空气密度是指标准大气 压下 的空气密度 一般为 1 2 2 5 k g m 3 在标准空气 密度下 风电机组 的输出功率与风速 的关系 曲线称 该风电机组 的标准功率曲线 对数据进行分析和处理时由于经验不足 考虑 维普资讯 第2 9 卷第 5 期 张洋 等 风资源评估综述 7 5 不全面 导致结果有较大偏差 特别是 目前使用 国 外分析软件 这些软件 的设计 主要是 以国外 的地形 和气候条件为对象 我 国与风电大 国丹麦和德国相 比 幅员辽阔 地形 比较复杂 各地 区气候条件变化 也较大 使用 国外软件处理这些复杂 的问题需要更 多的经验和技巧 同时 还要考虑到软件 的某些局 限性 对所得结果作进一步的分析 最好采用多个软 件进行对 比l 4 J 参考文献 5 指出 在地形复杂 的山 区 若以相同的风速分布特性来推算风 电场 的发 电 量将和实际情况产生较大的差别 在进行风资源评 估时必须采用更科学有效的方法 4 结论 我国风能资源非常丰富 中国气象科学研究院 估计 中国 1 0 m高度层实 际可开 发 的风 能储 量 为 2 5 3 GW 6 J 近海可开发风能资源是陆地 的 3倍多 j 截止 2 0 0 3年底 中国已在 l 4个省 自治区建立 了 4 0 个风电场 累计安装风力发 电机组 1 0 6 1台 总装 机 容量达到 5 6 8 4 1 MW 除去已经拆除和不能运行 的 机组 2 0 0 3 年底实际装机 1 0 1 7台 5 6 4 4 5 M W 约 占 中国电力总装