风能资源分析和评估

风能资源分析和评估中国电力科学研究院陈默子2006.1.91当前1页，总共72页。主要内容1.风能资源1.1风的形成1.2风的测量1.3风能资源评估的参考判据1.4风的特性2.复杂地形对风特性的影响2.1概述2.2粗糙度2.3障碍物2.4地形信息3.风电场风能资源分析与评估方法3.1基本方法3.2WindPro对象介绍3.3风资源数据的获得3.4风资源分布图3.5尾流计算3.6发电量计算3.7风电场项目发电损失和误差2当前2页，总共72页。大气环流：风是由太阳的热辐射和地球自转的作用，在大范围内产生的气流流动。季风环流：由于海陆差异、行星风带的季节转化及地形特征引起的，盛行风向（气压系统）有明显的季节变化。局地环流：由于地球上局地因子的影响，区域性的气流也可以改变全球气流的状况，从而产生局地性的气流流动。1.风能资源1.1风的形成

3当前3页，总共72页。大气环流：

气压梯度力

地球绕太阳转，地球表面受热不均，增热程度随纬度增高而降低，温差引起大气层空气压力不均衡。北半球空气向北流动。地球自转偏向力 北半球，气流向右（向东）偏转； 地球偏向力在赤道为零，随着纬度的增高而增大，在极地达到最大。1.风能资源1.1风的形成

4当前4页，总共72页。1.风能资源大气环流：

大气环流在地球自转偏向力的作用下,形成三圈环流环流圈伸曲高度：赤道最高，中纬度次之，极地最低

赤道~纬度30°N环流圈纬度30°~60°N环流圈纬度60°~90°N环流圈1.1风的形成5当前5页，总共72页。季风环流海陆分布的作用：海洋热容量远大于陆地冬季：陆地比海洋冷，大陆气压高于海洋；气压梯度力：大陆->海洋，西北风；夏季：陆地比海洋热，陆地气压低于海洋；气压梯度力：海洋->大陆。地球上5个风带，南北半球对称，北半球3个风带； 夏季均向北移动、冬季则向南移动； 冬季西风带的南缘地带在夏季可以变成东风带。地形特征引起典型：青藏高原，冬夏温度相对周围地区变化大。

1.风能资源1.1风的形成6当前6页，总共72页。局地环流海陆风： 由大陆与海洋温差转变引起 海岸附近以一日为周期的海陆风，形成原因与季风相同，但以日为周期，范围小，势力弱。山谷风： 山地附近山坡与周围空气受热不同形成 白天，山坡接受太阳光热多，被加热的暖空气不断上升，而谷底上空相对较冷的空气则下沉补充，形成山谷风环流。晚间山坡降温快，于是又形成了相反的环流。

1.风能资源1.1风的形成7当前7页，总共72页。1.风能资源测量位置测量位置的代表性所选测量位置的风况应基本代表该风场的风况；测量位置附近应无高大建筑物、树木等：与单个障碍物距离应大于障碍物高度的3倍； 与成排障碍物距离应大于障碍物高度的10倍以上；测量位置应在风场主风向的上风向；测量位置数量，依地形复杂程度而定。1.2风的测量8当前8页，总共72页。1.风能资源测量参数风速测量10min平均风速，用于风能资源计算； 小时平均风速，通过10min平均风速获得；极大风速,3秒采样一次的最大值，用于安全计算风向测量 与风速同步采集16个扇区气温每小时采样一次并纪录大气压每小时采样一次并纪录1.2风的测量9当前9页，总共72页。1.风能资源风玫瑰图表示各种风向出现的频率1.2风的测量10当前10页，总共72页。1.风能资源风玫瑰图1.2风的测量11当前11页，总共72页。1.风能资源测量仪器测风仪： 风速传感器 风向传感器 数据采集器（保存不低于3个月，低温）大气温度计大气压力计测量仪器应经过校准1.2风的测量12当前12页，总共72页。1.风能资源测量设备的安装测风塔结构和基础，应能承受30年一遇最大风力冲击表面应防盐雾腐蚀1.2风的测量测风塔一处两处以上测风塔高度不低于轮毂高度不低于轮毂高度；10m整数倍测风仪数量应有3层至少2层测风仪位置10m高度；轮毂中心高度；10m高度整数倍10m高度；轮毂中心高度；其余10m高度整数倍13当前13页，总共72页。1.风能资源IEC61400-12安装要求1.2风的测量14当前14页，总共72页。1.风能资源风功率密度，蕴含风速、风速分布和空气密度的影响，是风场的综合指标风向频率及风能密度方向分布风速的日变化和年变化 湍流强度0.10较小,0.10~0.25中等,>0.25过大。极大风速（每3s采样一次的最大的风速值）低气温（气温低于-30）其他，雷电、电线结冰、沙暴、盐雾1.3风能资源评估的参考判据

15当前15页，总共72页。1.风能资源平均风功率密度和有效风功率密度平均风功率密度：设定时段内的逐小时风功率密度的平均值1.3风能资源评估的参考判据

第i次记录的风速(m/s)

空气密度(kg/m3)

有效风功率密度：风速只计切入风速到切除风速之间的

16当前16页，总共72页。风功率密度等级表风功率密度等级10m高度30m高度50m高度风功率密度w/m2年平均风速参考值m/s风功率密度w/m2年平均风速参考值m/s风功率密度w/m2年平均风速参考值m/s1<1004.4<1605.1<2005.62100-1505.1160-2405.9200-3006.43150-2005.6240-3206.5300-4007.04200-2506.0320-4007.0400-5007.55250-3006.4400-4807.4500-6008.06300-4007.0480-6408.2600-8008.87400-10009.4640-160011.0800-200011.9注：1.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；2.与风功率密度上限值对应的年平均风速参考值，按海平面大气压及风速频率符合瑞利分布推算。17当前17页，总共72页。1.风能资源湍流强度（风速标准偏差）计算1.3风能资源评估的参考判据

10min风速标准偏差10min的平均风速m/s10min内每一秒的采样值18当前18页，总共72页。1.风能资源风速的垂直梯度：风速随高度变化风廓线（windprofile）风速的频率分布1.4风的特性19当前19页，总共72页。1.风能资源风速随高度变化

造成风速的垂直变化的原因动力因素—地面的摩擦效应，地面的粗糙度；热力因素—近地层大气垂直稳定度的关系；当大气层结为中性时，其主要作用的是动力因素. 经验公式：1.4风的特性为高度h上的风速卡曼系数，0.4左右摩擦速度地面剪切应力粗糙度参数20当前20页，总共72页。1.风能资源两个高度风速的关系：1.4风的特性α地表粗糙度指数，通过在不同高度上测风求得,当地面粗糙度未知时,可指数公式确定：

α值变化从1/15~1/4，最常用的是1/7，即

α=0.14221当前21页，总共72页。1.风能资源不同地形的粗糙度长度和粗糙度指数1.4风的特性地形类型粗糙等级粗糙长度z0(m)指数α水面00.0010.01开阔农村，少地表特性10.0120.12有楼房和栅栏的农田20.050.16多树木和森林的农田和乡村30.30.2822当前22页，总共72页。1.风能资源风速随高度变化系数1.4风的特性离地面高度mα值离地面高度mα值0.120.1420.160.120.1420.16101.101.101.00551.231.271.31151.051.061.07601.241.291.33201.091.101.12651.251.301.35251.121.141.16701.261.321.37301.141.171.19751.271.331.38351.161.191.22801.281.341.39401.181.221.25851.291.361.41451.201.241.27901.301.371.42501.211.261.291001.321.391.4523当前23页，总共72页。1.风能资源风频率分布通常用风速的频率分布函数f(v)来表示，模型通常使用最多的是韦布尔分布1.4风的特性A为尺度参数K为形状参数K=2时，称为瑞利分布

24当前24页，总共72页。1.风能资源1.4风的特性25当前25页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响平坦地形应符合下列条件(Frost和Nowak):在风电场四周11.5km直径范围内任一点，风电场与周围地形的高差不大于60m在风电场上风向4km和下风向0.8km内的山丘，其高宽比不大于1/50在上风向4km范围内，风机叶片下端离地的高度大于3倍最大高差h

2.1概述26当前26页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响2.1概述平坦地形应符合的条件27当前27页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响不规则地形会改变风的流态风剪切 风速随高度增加而增加，是表面粗糙度的函数湍流叶片的尾流效应大气边界层厚度(离地面近1000m的高度)，认为气流是自由的、不受干扰2.1概述粗糙度等级10m高风速30m高风速06.016.07.236.08.028当前28页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响应拥有的信息测风数据地形信息（等高线）粗糙度信息障碍物信息风电机组功率曲线

地形的表示用1:25000或1:50000的数字地图分12个扇区包含上述信息2.1概述29当前29页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响粗糙度等级的概念粗糙度描述一个区域的地表特征，用粗糙度等级或粗糙度长度来表示用粗糙度线(roughnessline)包围一个区域粗糙度线不能交叉。一般风场需在约10~20km的半径范围内定义粗糙度，取决于轮毂高度和地形条件。2.2粗糙度(roughness)30当前30页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响3km处粗糙度对风机出力的影响2.2粗糙度(roughness)31当前31页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响2.2粗糙度粗糙度和地表特征的对应关系

粗糙度等级粗糙度长度风能减少(%)地形描述00.0002100水面0.50.002473水陆混合地区或很光滑的陆地10.0352非常开阔的农场1.50.05545农场带有小建筑物、1250米远有8米高的树篱20.1039农场带有小建筑物的、800米远有8米高的树篱2.50.2031农场带有封闭的外观，稠密的植被,250米远有8米高的树篱30.4024村庄、小城镇，带有高的树篱、森林，许多突出的地形变化等3.50.8018大城镇、带有伸展开的建筑的城市，41.613大城市，带有建筑群和高建筑物32当前32页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响2.2粗糙度防风林带高度对粗糙度等级的影响

33当前33页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响2.2粗糙度粗糙度长度和粗糙度等级的关系

34当前34页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响2.3障碍物风速遇障碍物损失的百分数

35当前35页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响2.3障碍物(Block)靠近实体障碍物的气流形成湍流的范围36当前36页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响2.3障碍物靠近防风林带的气流形成的湍流，与通透度有关37当前37页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响防风林带形态与通透度的关系2.3障碍物障碍物表示

WAsP把每一个障碍物看作一个长方体，定义在地图上的位置、尺寸及通透率

防风林带形态通透度Ｐ实心（墙）0很密0.35密0.35~0.5开阔>0.538当前38页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响2.3障碍物障碍物与粗糙度区分以下情况作为粗糙度来考虑，否则作为障碍物处理：设障碍物高度为h，如果（风机轮毂高度＋叶片半径）>3h,且风机距障碍物的距离>50h或风机轮毂高度>４h,且风机距障碍物的距离>1000m

39当前39页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响用等高线（heightcontourline)需定义约5~10km半径范围由于气流通过山地时被压缩，风速增加2.4地形信息

（orography）40当前40页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响气流通过山地，位于小山丘上的WTG出力的增加与山丘顶部圆的半径的关系

2.4地形信息

2.4地形信息

（orography）41当前41页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响2.4地形信息

2.4地形信息

（orography）WAsP极坐标计算，原点处计算精度高；

42当前42页，总共72页。2.复杂地形对风特性的影响RIXRuggednessIndexRiso的概念，陡度系数20%以内WAsP有效2.4地形信息

2.4地形信息

（orography）43当前43页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.1基本方法

估计/计算风电场出力基本上有2种不同的方法基于当地风测量（12个扇区）的气象数据和Weibull分布。借助于计算机模型，如风图谱（WindAtlas）或计算机辅助设计工具，指下图Lib文件 要求有数字地形描述

：区域风统计值当地等高线粗糙度障碍物44当前44页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.1基本方法

WAsP两条主线：1.4个输入，得到风图谱(WindAtlas).给出标准状况下风的概率分布,一般为Weibull分布。2.以所得到的风图谱为基础，加上4个输入，计算出风机在该点的理论年发电量;可求出一定范围内风机的最佳放置点。45当前45页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.1基本方法

46当前46页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.2WindPro对象介绍

47当前47页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.2WindPro对象介绍

计算结果可以存为WAsPLIB文件也可以存为WindPROwindstatistic文件

48当前48页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.2WindPro对象介绍

SiteData对象：Atlas和WAsP的接口和Resources的接口

根据应用，site对象可以使用不同的颜色，如:黑用于Atlas，蓝用于WAsP，淡蓝用于Atlas&WAsP，黄用于STATGEN，绿用于RESGEN49当前49页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.2WindPro对象介绍

Area对象，用于：

粗糙度区域（用roughnessline围起）WindResourcesSteepnessregion

line对象,用于等高线和粗糙度线

result对象，在屏幕上表示WindResourceMap50当前50页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.3风资源数据的获得

MCP(MeasureCorrelatePredict)测量的短期数据(site)1-1.5年，风速、风向短期数据(reference站)，与site的短期数据同时间的， 风速、风向、温差长期数据(reference站)10-20年，风速、风向、温差模型：把数据校正到现场(site)的长期期望值reference站数据(NCAR,WorldWindAtlas，)51当前51页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.3风资源数据的获得

MCP52当前52页，总共72页。应用条件： site的短期数据要与reference站的参考站数据相关性较好。 相关含义：找出site数据和reference站数据是否表示同样的风状况(wingclimate)质量控制 长期的增减趋势 测风位置变动 测风仪器更换

3.风电场风能资源分析与评估方法

3.3风资源数据的获得

53当前53页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

检查小尺度的风速和风向变化是否匹配3.3风资源数据的获得

54当前54页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

检查大尺度的风速和风向变化是否匹配3.3风资源数据的获得

55当前55页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

风速的线性关系分析3.3风资源数据的获得

56当前56页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

风向变化分析3.3风资源数据的获得

57当前57页，总共72页。输入： 数字化的粗糙度图adigitalroughnessmap 地形信息DigitizedHeightContourLines 障碍物数据LocalObstacles 区域的风的统计数据WindStatistics

输出： .rsf文件格式的WindResourceMap风资源分布图 用来计算park 作为WindSim的输入

3.风电场风能资源分析与评估方法

3.4风资源分布图

58当前58页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.4风资源分布图

Globalwindfield

59当前59页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.4风资源分布图

StatisticalWindFieldModel

450个气象，气象站之间内插，考虑了等高线60当前60页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法

3.4风资源分布图

Mesoscaleflowmodels

61当前61页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法3.4风资源分布图

62当前62页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法流体模型的网格结构中尺度流体模型 WAsP等格网状极坐标，对特定点计算，一点精度高，但其它点差3.4风资源分布图

63当前63页，总共72页。3.风电场风能资源分析与评估方法影响尾流的参数风速几何参数叶片直径hub高度距离空气