一种新型的风电场50年一遇安全风速计算方法的对比分析

一种新型的风电场50年一遇安全风速计算方法的对比分析摘要：采用极值I型函数和EWM模型，结合气象站与风电场测风塔的数据，推算风电场轮毂高度处50年一遇的最大风速，并将计算结果进行对比分析。结果显示：对于山地风电场，采用极值I型推算得到50年一遇最大风速与通过EWM模型测试得到的50年一遇最大风速的结果存在较大差异。而对于地势平坦的风电场，这两种测算50年一遇的最大风速的结果比较接近。关键词：50年一遇最大风速;极值I型函数、EWM模型ABSTRACT:Withthedataofmeteorologicalstationandmeteorologymastonthewindfarm,Theextremewindspeedof50yearsathubheightiscalculatedusingextremevaluetypeIfunctionandEWMmodel.Theresultsshowthatthereisabigdifferenceformountainwindfarmbetweenextremewindspeedof50yearsusingextremevaluetypeIfunctionandextremewindspeedof50yearsusingEWMmodel,butthereisacloseresultforflatwindfarmbetweenextremewindspeedof50yearsusingextremevaluetypeIfunctionandextremewindspeedof50yearsusingEWMmodel.KEYWORDS:The50-yearExtremeWindSpeed;ExtremeValuetypeIFunction.EWMmodel前言：风电场建设的最基本要求是风能资源丰富，风向较稳定的区域。但随着国内风电产业的发展，就地消纳困难，大规模并网及远距离传输对电网提出更高的要求等问题凸显等，能用于开发的较好风资源越来越少，剩余的风资源区域大多为偏远地带或较差风资源地带。这种风电场对风机的安全稳定运行提出更大的挑战。如风力发电机组的安全性能校核不好，易造成风机倒塌事故的发生，给投资商带来巨大的经济损失。同时，为风机制造商带来不利影响。依据IEC与GL风力发电机组设计标准，50年一遇10分钟最大风速是风电机组承受其极限载荷的关键的性能指标，也是风电机组最终选型的关键指标之一，故对风电场内轮毂高度50年一遇最大风速的准确性判断显得尤为重要。目前，国内多采用《全国风能资源评价技术规定》[1]中极值I型概率分布函数，结合风电场区域气象数据推算本区域内10米高度的50年一遇的极大风速。随后，利用气象数据与测风塔数据之间相关性及风切变函数，推算风电场轮毂高度处50年一遇的最大风速。除此之外，GL风力发电机组设计标准中也提出一种EWM(Extremewindspeedmode)模型计算风电场50年重现期的最大风速公式。通过这两种方法对实际工程中计算结果的比较分析，探讨一种新型的50年一遇最大风速计算方法的可行性，为实际工程应用提供参考依据。1、风电场项目介绍风电场50年一遇的最大风速是风机安全稳定运行基本保障,依据IEC风力发电机组选型标准，须明确风电场50年一遇的安全风速，才能正确地选择风力发电机组，保证风电场的经济性与安全性。本文选取中原地区不同复杂程度的4个风电场与1个“三北”风电场，辅以风电场区域内气象数据与测风塔数据，对这5种类型的风电场50年一遇的最大风速进行计算与数据对比分析，寻求两种计算方法的各自点。A风电场以丘陵山地为主，高程1100~1500米，坡度10-30°，局部山体较为陡峻；B风电场为山地地形，高程750~1075米，坡度4-20°，局部山体较为陡峻；C风电场山体基本连续，山顶高程500-700米，山脊较为平缓宽广；D风电场为低山丘陵，山顶高程为300-450米，谷底高程为70-90米；E风电场地形较为平坦，场地开阔；2、风电场的安全等级风电场的安全等级是保证风机在承受极限载荷条件下能够稳定运行,实际工程应用中，风力发电机组等级即是风电场的安全等级，其包含三个方面：年平均风速、湍流强度及50年一遇最大风速，其设计依据IEC风力发电机组分类标准。按照最新2005版IEC标准将风机划分为四类，见表2-1[2]。表2-1风电机组等级分类 3、数据分析方法3.1极值I型分布函数依据《全国风能资源评价技术规定》，风电场最大风速χ采用极值I型概率分布[3]和密度分布函数为：（1）（2）（1）与（2）公式中，u为分布的位置参数，α为分布的尺度参数。假定有限个年平均风速最大值，用w表示。因风速是离散数据，按照数学期望E(w)和标准方差σ计算公式，可得到有限样本内的平均值和标准方差σ。分布的尺度参数α与均值及标准差σ之间的关系式如下：（3）（4） （5）（6）其中C1、C2通过《全国风能资源评价技术规定》标准内附表中查得。C1、C2数值见表3-1，n代表测风数据年数。表3-1系数C1与C2数值一览表重现期风速：以年为一个自然周期定义年最大风速，极值定理选取的样本以年最大风速值测量的。从概率分布的角度分析，两次重复出现相同10分钟平均最大风速的间隔周期称为重现期，用T表示。重现期是以年为单位，则在任一年中超过10分钟平均最大风速一次的概率为1/T，故小于该风速的概率，即重现期为T的风速计算公式如下：（7）其中u是分布的位置参数，α是分布的尺度参数，XT为重现期的最大风速。依据公式（3）、（4）、（5）、（6）、（7）可求出风电场10米高度重现期为T的最大风速。3.2极大风速模型(Extremewindspeedmodel，简称EWM)极大风速用来定义风力发电机组在极端状况下承受的风速载荷，该载荷包括因扰动和快速变化在风速和风向上产生的尖峰风速。除极端状况下的风速载荷外，风力发电机组的极大风速载荷也包含潜在湍流风的影响。因此，对影响风力发电机组载荷的确定因素在风机设计时必须考虑。（1