1、风电场 | Wind Farm 72 风能 Wind Energy 风电场50年一遇最大风速计算方法总结 文 | 高兴强 风 电 开 发 必 须 进 行 可 行 性 研 究， 选 择 风 能 资 源 较 好 的 区 域 进 行 风 电 场 建 设。 风 电 场 50 年 一 遇 最 大 风 速 是 风 电 场 风 能 资 源 分 析 的 重 要 指 标， 是 风 电 机 组 选 型 的 重 要 参 考， 是 保 证 风 电 机组安全有效运行的重要前提。 本 文 主 要 按 照 风 电 场 风 能 资 源 评 估 方 法 的 要 求 取 得 的 风 能 资 源 数 据 进 行 50 年 一 遇
2、最 大 风 速 的 分 析， 总 结 的 方 法 有 WasP Engineering 分 析 法、Windographer 分 析 法、 五 日 雷 暴 法、 最 大 风 速 比 值 修 正 法、 切 变 推 求 法、 风 压 推 求 法、 五 倍 平 均 风 速 法 等多种方法。 WasP Engineering 分析法 利 用 WasP Engineering 计 算 50 年 一 遇 最 大 风 速（V 50 max ） 所 需 要 的 基 础 资 料 有 风 电 场 所 在 地 区 的 矢 量 地 形 图、 测 风 塔 位 置 坐 标、 实 测 的 大 风 数 据 等。 其 中， 矢
3、 量 地 形 图 可 以 借 助 Global Mapper 软 件 获 取。 下 面 简 单 总 结 一 下 WasP Engineering 的 操 作 步骤： （1）导入矢量地形图 新 建 一 个 工 程， 选 择 风 电 场 所 在 区 域 的 矢 量 地 形 图， 如 图 1 所 示。 勾 选 “Use new gridding method” 选项， 框选风电场所在区域，导入地形图。 （2）新建测风塔 调用 “Insert new site into” 命令， 将测风塔的位置落到地形图上， 如图 2 所示。 （3）导入一个实测的大风数据 如 在 测 风 塔 一 个 实 测 的 大
4、风 为 方 向 180， 风 速 35m/s， 调 用“Insert wind into” 命 令， 如 图 3 所 示 输 入 相 关是数据。 （4） 修改观测点的高度 （heights） 调 用“Insert new height into” 命令， 修改观测点的高度， 如图 4 所示。 （5）评估 50 年一遇最大风速 调 用“Observed extreme wind climate from le” 命 令， 导 入 实 测 的 OEWC 文 件（ 由 WAsP Climate Analyst 工具导出） ， 如图 5 所示。 最后， 调用“convert to a regional
5、 extreme wind climate ”命令，得到 REWC。 如 图 6 所 示，50 年 一 遇 最 大 风 速 V 50 max 37.6m/s 。 需 要 注 意 的 是， 在这里要按下“toggle apply to site” 图标。 另外， 通过 Tools 中的 Reporting 图1 新建工程 图2 Maps and sitesWind Farm | 风电场 2014年第07期 73 图3 Winds 图4 Heights 图5 导入OEWC文件 功能，还可以输出 word 格式的报告文 件如表 1 和表 2。 Windographer 分析法 利 用 Windogr
6、apher 计 算 50 年 一 遇 最 大 风 速 操 作 步 骤 比 较 简 单 ， 如 下 ： （1） 将 测 风 数 据（NRG 导 出 的 10min 测 风 数 据 ） 导 入 软 件 中， 进 行 图6 生成REWC文件 相 关 是 设 置， 软 件 便 会 自 行 计 算 各 种 参数。 （2） 调 用“Analyze” 下 拉 菜 单 下 的“Extreme Wind Analysis”， 就 可 以 得 到 测 风 塔 各 高 度 的 极 端 风 速， 包 括 20 年、25 年、50 年、100 年 一 遇 最 大 风 速（10 min means） 和 3s 极 大 风
7、 速（Gusts）。 计 算 结 果 如 图 7 所示，V 50 max 30.5m/s。 表1 Site list Site xm ym elev.m 1 18628030 4094494 1783.1 表2 50 year wind m/s Site/Height 70.0 m a.g.l. 测风塔 37.59风电场 | Wind Farm 74 风能 Wind Energy 五日雷暴法耿贝尔分析 法的一种变形 耿 贝 尔 分 析 法 的 原 理 是： 选 取 气 象 站 连 续 N 个 年 最 大 风 速 样 本 序 列 （N 15）， 通 过 计 算 极 值 I 型 概 率 分布的相关
8、参数 （包括 ： 均值、 标准差、 尺度参数、 位置参数） ， 利用公式 （1） 计算得 50 年一遇最大风速。 max 1 1 2 50 n vn a v n a = = - = - = - - = - = = - ; E （1） 五 日 雷 暴 法 是 通 过 选 取 代 表 年 每 五 日 10min 平 均 风 速 的 最 大 值 样 本 序 列（N 73）， 通 过 计 算 极 值 I 型 概 率 分 布 的 相 关 参 数， 利 用 公 式（2） 计 算 得 50 年 一 遇 最 大 风 速。 此 方 法 相 对 于 耿 贝 尔 分 析 法 的 优 势 在 于， 只 需 要 一 年
9、 的 实 测 风 数 据， 在 没 有 可 靠 的 相 关 气 象 站 资 料 的 情 况 下， 也 能 给 出 可 参考的结论。 max 50 = - - ; E（2） 在 这 里， 主 要 通 过 EXCEL 创 建 公 式 模 板（ 如 图 8 和 表 3） 来 计 算 50 年一遇最大风速，计算步骤如下： （1） 选 取 五 日 最 大 风 速 样 本 序 列 （N 73） 18.5 14.4 16.5 17.7 16.1 16 14 18.7 12.3 12.7 13.4 17.5 11.7 15.2 15.9 14.8 17.3 18.5 14.4 15.6 11.7 11.8 1
10、5 12 14.7 12.3 15.1 18.5 18.2 12.1 12 14.9 13.2 10.7 13.7 15.2 12.1 15.3 19.8 16.7 19.8 14.1 16.7 16.3 23.3 17.7 15.6 15.2 23.7 15.5 18.9 15.4 12.3 12.4 13.1 18.8 23.4 22.4 15.6 15.1 24.5 15.8 14.7 18.8 18.8 14.1 16.4 25.4 17.4 15.4 18.8 20.5 19.9 图7 Extreme Wind Analysis 将以上数据放到名为 “73 个数据” 的工作表中， 从
11、 A1 A73 依次排列。 （2）求均值，调用公式 “ A VERAGE( ) ” A VERAGE(73 个数据 表3 耿贝尔C1、C2系数表 N C1 C2 10 0.94970 0.49520 15 1.02057 0.51820 20 1.06283 0.52355 25 1.09145 0.53086 30 1.11238 0.53622 35 1.12847 0.54034 40 1.14132 0.54362 45 1.15185 0.54630 50 1.16066 0.54853 60 1.17465 0.55208 70 1.18536 0.55477 80 1.19385
12、 0.55688 90 1.20649 0.55860 100 1.20649 0.56002 250 1.24292 0.56878 500 1.25880 0.57240 1000 1.26851 0.57450 1.28255 0.57722 图8 五日雷暴法EXCEL模板Wind Farm | 风电场 2014年第07期 75 !A1:A73) 16.192 （3）求标准差，调用公式 “ STDEV( ) ” STDEV(73 个数据 !A1:A73) 3.294851 （4）计算 C1、C2 由 于 N 73 ， 无 法 直 接 查 取 相 应 的 系 数， 在 此 利 用“ 插 值
13、 法 ” 计 算， 得出 C1 1.187907 ，C2 0.555403 （5 ） 求 尺 度 参 数 和 位 置 参 数 B12/B8 0.360534 B5 B13/B16 14.65128 （6）求 50 年一遇最大风速 V 50 max B17 (1/B16)*LN(LN (50*73)/(50*73 1) 37.4018m/s 。 最大风速比值修正法 当 风 电 场 与 气 象 站 共 处 一 个 风 带， 且 距 离 较 近 时， 可 根 据 气 象 站 50 年 一 遇 最 大 风 速（V 50 气 象 站 ）， 以 测 风 塔 与 气 象 站 同 时 段 实 测 最 大 风
14、速 的 比 值 进 行 修正，计算公式如下： V 50 max V 50 气象站 * （V 测风塔/V 气象站 ） 其 中，V 测 风 塔 、V 气 象 站 分 别 为 测 风 塔 和 气象站同期实测最大风速。 切变推求法 根 据 气 象 站 50 年 一 遇 最 大 风 速 （V 50 气 象 站 ）， 用 风 电 场 10m 高 度 与 气 象 站 小 时 平 均 风 速 相 关 推 求 得 到 10m 高 度 的 50 年 一 遇 最 大 风 速， 再 根据风切变指数推求其他高度。 风压推求法 风 压 推 求 法 的 原 理 比 较 简 单， 就 是 利 用 风 压 公 式（ p 0.5
15、 v 2 ） 变 形 反 推 近 地 面 50 年 一 遇 最 大 风 速， 然 后 利 用 风 切 变 指 数 推 求 其 他 高 度 风 速。 创建 EXCEL 模板如图 9 所示。 （1） 输 入 空 气 密 度 和 风 压 值， 即 可 得 近 地 面 50 年 一 遇 最 大 风 速 （ 计 算 公 式 为：“ SQRT(2000*B3/ B2) ”）。 风 压 值 可 查 询 建 筑 结 构 荷 载规范。 （2） 输 入 轮 毂 高 度 及 切 变 值， 即 可 得 到 轮 毂 高 度 50 年 一 遇 最 大 风 速 （计算公式为 ： “ (B5/10)B6)*B4 ” ） ：V
16、 50 max 31.825m/s 五倍平均风速法 Weibull 曲 线 是 一 种 用 于 拟 合 风 速 频 率 分 布 的 线 型， 由 形 状 参 数 k 和 尺 度 参 数 c 决 定。 中 国 地 区 的 k 值 通 常在 1.0 2.6 之间。 欧 洲 风 电 机 组 标 准 中 建 议 ， 在 中 纬 度 （ 南 北 纬 30 度 60 度 之 间 ） 地 区 ， 地 形 比 较 平 坦 的 风 电 场 ， 当 Weibull 分 布 的 形 状 参 数 k 1.77 时 ， 可 以 用 五 倍 平 均 风 速 来 计 算50 年 一 遇 最 大 风 速 ， 即 V 50 m
17、ax /V ave 5 是 合 适 的 。 如 果 所 建 风 电 场 地 形 比 较 复 杂，Weibull 分 布 的 形 状 参 数 1.4 k 1.5 时， 必 须 要 提 高 这 一 比 率， 即 V 50 max / V ave 6.6 ， 才 能 符 合 风电场要求。 由 1032# 测 风 塔 10min 风 速 数 据， 计 算 得 到 V ave 7.403m/s ， k 1.77， 因 此， 可 以 推 算 50 年 一 遇 最大风速： V 50 max 7.403*5=37.015(m/s) 结语 风电场 50 年一遇最大风速的计算 方 法 有 很 多， 在 此 仅 总 结 这 几 种， 借 助风能资源分析软件及 excel 模板，以 期 能 为 后 续 类 似 风 电 场 工 程 提 供 借 鉴， 同 时， 通 过 不 同 方 法 计 算 的 50 年 一 遇 最 大 风 速 能 够 为 项 目 可 行 性 研 究 报 告 中机组选型提供更加有利的参考。 当然， 由于笔者经验和能力有限， 这 些 方 法 还 存 在 很 多 不 足 之 处， 还 望 广大专家学者能够批评指正。 （作者单位：龙源宁夏风力发电有限公司） 图9 风压推求法EXCEL模板
