测风塔在风能资源开发利用中的应用研究-

1、测风塔在风能资源开发利用中的应用研究周海,匡礼勇,程序,崔方(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市210003摘要:从风电场开发、建设、运营、管理的全周期角度,全面描述了测风塔技术的应用现状及作用,系统地阐述了测风塔在风能资源开发利用过程中的应用成果。首先在风电场前期开发过程中,对利用测风塔进行的风资源评估、风机微观选址、风电场边界层气象特性分析等方面进行了阐述;其次在风电场业务运营期间,对气象信息实时监测以及气象信息在业务中的运用进行了分析;最后对运营管理过程中的各种应用进行了总结。关键词:风电场;测风塔;气象信息实时监测收稿日期:2010206208;修回日期:2010208

2、204。南京南瑞集团公司科技开发项目(NARI 22007213。0引言发展可再生能源是应对气候变化、优化能源结构、解决能源和环境问题的关键,是调整国内能源战略、转变电力发展方式的重要内容。随着全球范围内石油、煤炭等化石能源紧缺状况的进一步加剧,许多国家都在大力提倡节能减排的低碳型经济发展模式。中国风能资源储量巨大,风力发电是一种清洁能源,开发风力发电是可持续发展能源的途径之一。近年来,中国在国家相关政策的持续支持和各方的不懈努力下,风电建设发展快速,装机容量年均增长率超过70%,截至2009年12月31日国内(不含台湾省累计风电装机21581台,风电建设容量达到25.8GW 1。当前,国内风

3、电机组的装机容量和上网电量所占比重不断增加,风电场的建设规模和数量也在逐年大幅攀升,测风塔技术及其应用在风能开发利用过程中的作用更显得尤为重要。测风塔架主要有桁架式拉线塔架和圆筒式塔架2种结构型式。目前,国内大多数采用桁架式拉线塔架结构型式;测风塔的安装地理位置可选择在拟建风电场的中央或风电场的外围2km 3km 处。用于风能资源开发利用的测风塔架上搭载的设备主要是气象要素实时监测系统,包括多种气象要素测量传感器、数据采集模块、通信模块等。具备分层梯度测量和采集风电场微气象环境场内的风、温度、湿度、气压等气象信息。在风能资源的开发和利用过程中,测风塔处于十分重要的位置,主要表现在风电场前期的风

4、资源评估、风场微观选址、风电场规划设计、风电场风况实时监测、超短期预测、数值预报模式、预报输出数据比对和数值模式参数校正等方面。本文对测风塔的测量技术及其在风电场各个运营阶段的应用进行分析,以期得到相关的应用成果。1测风塔气象要素实时监测系统为了提高风能资源开发利用的经济效益,必须建立科学合理的风电场气象要素实时监测系统,实时采集和监测风电场的风速、风向等气象要素实况。在实际运行过程中,针对不同的使用需求和现场环境,测风塔的传感器配置和选址会有所变化。风电场前期开发过程中,测风塔主要用于风电场的风能资源评估和微观选址。测风塔的采集时间间隔可以是隔一段时间取数或实时传数,测风塔的高度一般为70m

5、 ,根据需要可为100m 或120m ,测风塔的地址一般选在拟建风电场的中央。风电场投运后,测风塔主要用于风电场的气象信息实时监视和发电能力预测。此时应在风电场主迎风方向2km 3km 处,建设测风塔气象要素实时监测系统,实时监测系统每隔5min 将采集计算得到的数据发送至数据接收平台并入库。测风塔气象要素实时监测系统由数据采集模块、通信模块、气象传感器和太阳能电源模块构成。系统具备多信道的接入能力,根据现场的实际通信条件,可采用无线甚高频(V HF 、通用分组无线电业务(GPRS 等信道进行数据的远程传输,并且在无日照情况下具有持续工作30d 的能力。系统结构如图1所示。测风塔所用的传感器主

6、要包括测风速计、风向标、气压计、温湿度计、雨量筒等。在沿海地区,由于常受台风、盐雾等的影响,需采用超声波测风计,以提高测风塔使用寿命和利用效率。5第34卷第5期2010年10月20 图1测风塔气象要素实时监测系统ACS3002MM 型数据采集器按照G B/T187092002风电场风能资源测量方法2、G B/T 187102002风电场风能资源评估方法3、风能资源评价技术规定4、地面气象观测规范5等技术要求,通过各气象传感器,对风电场环境下的气象要素,如风速、风向、温度、湿度、气压、降雨等进行实时数据的采集、统计和存储。具体气象监测要素及技术指标如表1所示。表1测风塔气象监测要素表测量要素测量

7、范围测量间隔分辨率准确度气温-50+506次/min 0.1±0.5相对湿度0100%6次/min 1%±3%气压50kPa 110kPa 6次/min 10Pa ±30Pa 风向0°360°1次/s 1°±3°风速060m/s1次/s0.1m/s±2%(12m/s 降水量雨强04mm/min1次/min 0.5mm ±4%2测风塔在风电场前期开发过程中的应用2.1在风电场风资源评估中的应用国内风能资源储量丰富,主要集中在东北、西北、华北和东部沿海等地区,在内陆也有零星的风资源丰富区,如鄱阳湖畔

8、、洞庭湖西岸等地区。风能密度(风功率密度是衡量一个地方风能大小、评价一个地区风能潜力最方便最有价值的量6。风能密度的大小主要取决于风速和空气密度。风能利用的风速范围主要集中在3m/s 25m/s 。根据风能密度的大小,将风能密度划分为7个等级3,如表2所示。在风能资源储量丰富的地区选址建立风电场,其前提是精确掌握当地的风资源情况。为有效评价该地区是否有利于建立风电场,以便达到最佳的经济效益,必须建立测风塔对该地进行为期1年以上的不间断观测,收集当地最近时段的第一手气象信息。对收集到的测风塔气象观测资料,依据G B/T 187102002风电场风能资源评估方法3和风能资源评价技术规定4进行数据分

9、析,判定建立风电场的可行性和经济性。2.2在风电场风机微观选址和选型中的应用针对拟建风电场所处位置的地理地貌,建立若干个测风塔,以便全面反映和代表全场的风资源分布情况。根据观测得到的全场梯度气象数据,分析场区内不同地理位置的风速、风向分布特征,为风电机组基座的选点规划提供参考依据。表2风能密度等级表风功率密度等级高度10m风功率密度/(W m -2年平均风速参考值/(m s -1高度30m风功率密度/(W m -2年平均风速参考值/(m s -1高度50m风功率密度/(W m -2年平均风速参考值/(m s -1应用于并网风力发电1<100 4.4<160 5.1<200 5

10、.62100150 5.1160240 5.9200300 6.43150200 5.6240320 6.53004007.0较好4200250 6.03204007.04005007.5好5250300 6.44004807.45006008.0很好63004007.04806408.26008008.8很好740010009.4640160011.0800200011.9很好注:不同高度的年平均风速参考值是按风切变指数为1/7推算的;与风功率密度上限值对应的年平均风速参考值,按海平面标准大气压及风速频率符合瑞利分布的情况推算。同时,根据观测得到的气象数据,结合不同厂家不同型号的风机类型,确

11、定最适合本地区的风机型号,达到风能利用的最优化。2.3风电场边界层气象特性分析通过对测风塔不同高度的梯度气象测量数据,分析风电场区内不同高度上下层之间风的切变关系和稳定情况,研究风电场边界层的气象特征、理查森系数等湍流特性,研究高层风的动量下传特性,为分析风机的尾流影响提供参考,同时也为风电场的局部风力预测提供精细的流体力学模型。62010,34(5 3测风塔在风电场业务运营期间的应用3.1风电场气象信息实时监测微功耗实时气象要素采集系统能够实时采集代表风电场区域内的气象观测数据728,全面掌握风电场风资源的变化情况,尤其是遇到重大灾害天气,如严寒、台风等恶劣天气时,能够及时实施应急预案,减少

12、经济损失。可以根据实时监测的风资源情况,分析风电场出力特性和异常的发电数据的原因。3.2在超短期风力预测中的应用针对电力行业不同用户的业务需求,必须开展多种预测时间尺度的风电出力预测系统,超短期风电出力预测就是其中一个。超短期出力预测系统包括超短期风力预测模型和出力预测模型。超短期风力预测模型依靠测风塔的历史数据和实时数据。其中历史数据主要用于超短期风力预测模型的建模和率参,为超短期的率参提供数据积累9211;实时数据为超短期风力预测提供实时输入数据源,预测未来04h的风速,实时数据还能为预测模型提供实时校正。3.3数值天气预报产品的比对和模式校正在风电场出力预测系统中,风力预测是最为关键的一

13、环,风力预测的准确程度直接关系到出力预测的准确率。目前针对短期出力预测主要依赖于数值天气预报(NWP模式。N WP模式能够预测出给定坐标位置处不同高度的气象信息,通过对测风塔处不同高度预测和实测气象要素情况的对比,分析出预测的误差,评价NWP模式预测结果的准确率和可用性。根据累积的测风塔实测气象资料和对应时段的NWP模式预测数据,分析预测误差的规律,可以改进NWP模式的输入参数,不断提高预测准确率。从国内外的风电场出力预测研究现状来看, NWP是被广泛应用的风力预测技术,且均将数值预报结果作为可靠数据源,进行风电场的出力预测。影响出力预测精确度的直接原因有二:其一为风力预测的误差;其二为出力预

14、测模型带来的误差。由于地理网格精度和降尺度技术应用等因素的影响, NWP值的准确度在进行风电场出力预测之前必须进行判定和修正,风电场区域的实时气象监测数据是进行比对的重要数据。4测风塔在风电场运营管理中的应用4.1弃风限电影响评估国内发电行业整体上以火电为主,存在结构性矛盾,特别是在风电集中的“三北”地区问题更加突出。由于火电机组调整速度慢、调整容量有限,因此,无法满足风电功率大幅波动情况下的电网调峰和调频需要,造成了弃风。火电机组中供热机组比例高,为保证供热温度,低谷期间机组无法减到最低技术出力,高峰时段也无法加到额定出力,机组调峰能力降低。特别是在冬季夜间低负荷、大风时段,风电出力快速增加

15、,对其他非供热机组调峰压力较大,因此造成多数风电企业夜间弃风现象严重。风电场大都位置偏远,处于电网末端,电网接纳能力较弱,风电外送的能力受到制约。当风电满发时,电网调节能力有限,无法消纳大规模风电,为保障电网的安全稳定,特定时候需要适当弃风限电。因此,通过对风电场气象要素资料,尤其是风速进行测量和收集,能够对弃风限电的风电场发电损失进行有效评估,提高风电场的运营管理水平。4.2风电场发电量考核根据风电场的实际运行时段发电量,剔除其中限电、电网因素等特殊情况的时段电量,与实际风速情况下理论发电量进行比对,找出其中存在的偏差,可有效考核风电场风电机组的利用效率。4.3风电场气象运行资料的累积对风电

16、场进行长期有效的局地微尺度、高时空分辨率、不同高层、不间断的气象数据观测,能够积累风电场的长序列气象资料,该资料能够完善和丰富风电场的数据库,完善风电场的资料管理体系。多年风电场的气象累积资料,不仅能够对风电场的扩容扩建提供参考依据,还能为风电场中长期发电量指标的制定和修订提供历史依据。5结语合理、经济、高效地开发利用风能资源对实现节能减排目标具有重要的意义。本文通过对测风塔在风能资源开发利用中的应用进行了系统性的研究,加深了风能资源开发利用中测风塔重要性的认识,并通过对测风塔技术的有效利用,提高了风电场的运营水平和调度部门的管理水平,也提高了绿色能源的使用效率。参考文献1中国可再生能源学会风

17、能专业委员会.2009年中国风电装机容量统计.风能,2010(1:28233.2G B/T187092002风电场风能资源测量方法,2002.3G B/T187102002风电场风能资源评估方法,2002.中国标准出版社,2004:122.2003:48253.6黄世成,姜爱军,刘聪,等.江苏省风能资源重新估算与7绿色电力自动化周海,等测风塔在风能资源开发利用中的应用研究分布研究.气象科学,2007,27(4:4072412.7国家电力调度通信中心.风电功率预测系统功能规范.北京:新能源调度运行管理规程规定汇编,2010.新能源调度运行管理规程规定汇编,2010.9张国强,张伯明.基于组合预测

18、的风电场风速及风电机功率预测.电力系统自动化,2009,33(18:92295.10马彦宏,汪宁渤,刘福潮,等.甘肃酒泉风电基地风电预测预报系统.电力系统自动化,2009,33(16:88290.11曾杰,张华.基于最小二乘支持向量机的风速预测模型.电网技术,2009,33(18:1442147.周海(1975An Applied Study on Wind Tow er for Wind E nergy R esources ExploitationZ HOU H ai ,KUA N G L i yong ,C H EN G X u ,CU I Fang(State Grid Electri

19、c Power Research Institute ,Nanjing 210003,China Abstract :From all aspects such as :development ,construction ,operation and management of wind farm ,this paper f ully describes the current technology status and f unctions of wind tower ,and systematically presents its applied achievements in the p

20、rocess of exploitation and application of wind energy resources.Firstly ,in early exploitation stage of wind farm ,it elaborates the assessment of wind energy resources with wind tower and micro location selection for fan.The analysis of meteorological characteristics of boundary layer for wind farm

21、 are also depicted.Secondly ,the real 2time monitoring of meteorological information during the operation of wind farm ,and its application are analyzed.Finally ,a summary is given about various applications in the process of operation and management.K ey w ords :wind farm ;wind tower ;real 2time mo

22、nitoring of meteorological information(上接第4页12UL 17412010Safety for inverters ,eonverters ,controllers and interconnection system equipment for use with distributed energy resources.2010.13丁磊,潘贞存,苏永智,等.并网分散电源的解列与孤岛运行.电力自动化设备,2007,27(7:25228.14陈为民,陈国呈,崔开勇,等.分布式并网发电系统在孤岛时的运行控制.电力系统自动化,2008,32(9:88291.

23、15IEEE 9292000IEEE recommended practice for utilityinterface of photovoltaic systems.2000.16HIN GORANI NG ,GYU GYI L.UnderstandingFACTS :concepts and technology of flexible AC transmission systems.New Y ork ,N Y ,USA :IEEE Press ,1999.贺眉眉(1985Islanding Detection and Operation Evaluation for Distribu

24、ted G eneration System withMedium and Small 2size H ydroelectric StationH E Meimei ,L I H uaqiang ,L EI Yanmin ,L IU J unnan(Sichuan University ,Chengdu 610065,China Abstract :The grid 2connected distributed generation (D G system will enter into islanding operation if main 2grid system splitting ca

25、used by power failure.It s a state that will imperil engineers and the equipment concerned.It s important to do some study on islanding detection and operation.However ,now the interest of islanding operation study mainly focuses on D G system based on inverter.There is not enough attention paying to D G islanding detection ba