1.4　風電場風能資源評估

1.4.1　風電場風能資源測量方法

1.4.1.1　測量位置和數量

（1）測量位置

①所選測量位置的風況應基本代表該風場的風況。

②測量位置附近應無高大建筑物、樹木等障礙物。與單個障礙物的距離應大于障礙物高度的3倍。與成排障礙物的距離應保持在障礙物最大高度的10倍以上。

③測量位置應選擇在風場主風向的上風向位置。

（2）測量位置數量　測量位置數量依風場地形復雜程度而定：對于地形較為平坦的風場，可選擇一處安裝測量設備；對于地形較為復雜的風場，應選擇兩處及以上安裝測風設備。

1.4.1.2　測量參數

（1）風速

①10min平均風速（m/s）　每秒采樣一次，自動計算和記錄每10min的平均風速。

②小時平均風速（m/s）　通過10min平均風速值獲取每小時的平均風速。

③極大風速（m/s）　每3s采樣一次的風速最大值。

（2）風向

①風向采樣　與風速同步采集的該風速的風向。

②風向區域　所記錄的風向都是某一風速在該區域的瞬時采樣值。風向區域分為16等分時，每個扇形區域為22.5°。

（3）風速標準偏差

①以10min為時段，每秒采集和記錄瞬時風速的標準偏差（m/s）。

②自動計算和記錄每10min的風速標準偏差。

（4）氣溫　現場采集風場的環境溫度（℃），每小時采樣一次并記錄。日平均溫度應是每日逐小時連續采樣數據的平均值。

（5）大氣壓　現場采集風場的大氣壓（kPa），每小時采樣一次并記錄。日平均大氣壓應是每日逐小時連續采樣數據的平均值。

1.4.1.3　測量儀器

（1）測風儀

①風速傳感器　測量范圍為0～60m/s；誤差范圍為±0.5m/s（3～30m/s）；工作環境氣溫為-40～50℃；響應特性距離常數為5m。

②風向傳感器　測量范圍為0°～360°；精確度為±2.5°；工作環境溫度為-40～50℃。

③數據采集器　具有測量參數的采集、計算和記錄的功能。在現場可直接從外部觀察到采集的數據，有在現場或室內下載數據的功能。能完整地保存不低于3個月采集的數據量。

（2）大氣溫度計　測量范圍為-40～50℃；精確度為±1℃。

（3）大氣壓力計　測量范圍為60～108kPa；精確度為±3％。

1.4.1.4　測量設備安裝

（1）測風塔

①測風塔可選擇桁架型結構或立桿拉線型等不同形式，要便于測風儀器的維修。沿海地區測風塔結構要能承受30年一遇的最大風載的沖擊，表面應防鹽霧腐蝕。

②何種結構形式的測風塔在當地30年一遇風載時都不應由于其基礎（包括地腳螺栓、地錨、拉線等）承載能力不足造成塔傾斜或倒塌。

③風場測風塔高度不應低于風力機輪轂中心高度；風場多處安裝測風塔時，高度按10m的整數倍選擇。至少有一處測風塔的高度不低于風力機輪轂中心高度。

④測風塔頂部應有避雷裝置，接地電阻不應大于4Ω。

測風塔位于飛機航線下方時，應根據航空部門的要求，決定是否安裝航空信號燈。

（2）測風儀　測風儀包括風速傳感器、風向傳感器和數據采集器三部分。

①測風儀數量

a.只在一處安裝測風塔時，測風塔上應安裝三層風速、風向傳感器。其中兩層應選擇在10m高度和風力機輪轂中心高度處，另一層可選擇10m的整數倍高度安裝。

b.風場安裝兩處及以上測風塔時，應有一套風速、風向傳感器安裝在10m高度處。另一套風速、風向傳感器應固定在風力機輪轂中心高度處。其余的風速、風向傳感器可固定在測風塔10m的整數倍高度處。

②風速、風向傳感器安裝

a.風速、風向傳感器應固定在桁架式結構測風塔直徑的3倍以上，圓管型結構測風塔直徑的6倍以上的牢固橫梁處，迎主風向安裝（橫梁與主風向成90°）并進行水平校正。

b.應有一處迎主風向對稱安裝兩套風速、風向傳感器。

c.風向標應根據當地磁偏角修正，按實際“北”定向安裝。

③數據采集器

a.野外安裝數據采集器時，安裝盒應固定在測風塔上離地1.5m處，也可安裝在現場的臨時建筑物內。

b.安裝盒應防水、防凍、防腐和防沙塵。

c.數據采集器安裝在遠離測風現場的建筑物內時，應保證傳輸數據的準確性。

（3）大氣溫度計、大氣壓力計　大氣溫度計、壓力計可隨測風塔安裝，也可安裝在距測風塔中心30m以內、離地高度1.2m的百葉箱內。

1.4.1.5　測量數據收集

①現場測量應連續進行不應少于一年。

②現場采集的測量數據完整率應在98％以上。

③采集測量數據可采用遙控、現場或室內下載的方法。數據采集器的芯片或存儲器脫離現場不得超過1h。

④采集數據的時間間隔最長不宜超過一個月。

⑤下載的測量數據應作為原始資料正本保存，用復制件進行數據整理。

1.4.1.6　測量數據整理

不得對現場采集的原始數據進行任何的刪改或增減。應對原始數據進行初判，看其是否在合理的范圍內。數據合理范圍見表1-8，數據相關性見表1-9，數據變化趨勢見表1-10。

數據整理過程中，發現數據缺漏和失真時應立即與現場測風人員聯系，檢查測風設備，及時檢修或更換設備。對缺漏和失真數據應查明原因并補缺。

整理數據時序依：每日0～23時；每月1～28日或（29日、30日、31日）；年為1～12月。

風速標準偏差（σ）以10min為基準進行計算與記錄。其計算公式為：

　　 （1-44） 　　

式中，V_i為10min內每一秒的采樣風速，m/s；V為10min的平均風速，m/s。

1.4.2　風電場風能資源評估方法

本節規定了評估風能資源應收集的氣象數據、測風數據的處理及主要參數的計算方法。還描述了風功率密度的分級、評估風能資源的參考判據、風能資源評估報告的內容和格式。

1.4.2.1　測風數據要求

（1）風場附近的氣象站、海洋站等長期觀測站的測風數據　應收集長期觀測站以下數據：

a.有代表性的連續30年的逐年平均風速和各月平均風速；

b.與風場測站同期的逐小時風速和風向數據；

c.累年平均氣溫和氣壓數據；

d.建站以來記錄到的最大風速、極大風速及其發生的時間和風向、極端氣溫、每年出現雷暴日數、積冰日數、凍土深度、積雪深度和侵蝕條件（沙塵、鹽霧）等。

（2）風場測風數據　應按照GB/T 18709的規定進行測風，獲取風場的風速、風向、氣溫、氣壓和標準偏差的實測時間序列數據，極大風速及其風向。

1.4.2.2　測風數據處理

測風數據處理包括對數據的驗證、訂正，并計算評估風能資源所需要的參數。

（1）數據驗證　數據驗證是檢查風場測風獲得的原始數據，對其完整性和合理性進行判斷，檢驗出不合理的數據和缺測的數據。經過處理，整理出至少連續一年完整的風場逐小時測風數據。

①完整性檢驗

a.數量　數據數量應等于預期記錄的數據數量。

b.時間順序　數據的時間順序應符合預期的開始、結束時間，中間應連續。

②不合理數據和缺測數據的處理

a.檢驗后列出所有不合理的數據和缺測的數據及其發生的時間。

b.對不合理數據再次進行判別，挑出符合實際情況的有效數據，回歸原始數據組。

c.將備用的或可供參考的傳感器同期記錄數據經過分析處理，替換已確認為無效的數據或填補缺測的數據。

③計算測風有效數據的完整率，有效數據完整率應達到90％。有效數據完整率按下式計算：

　　 （1-45） 　　

式中，應測數目為測量期間小時數數目；缺測數目為沒有記錄到的小時平均值數目；無效數據數目為確認為不合理的小時平均值數目。

④驗證結果　經過各種檢驗，剔除掉無效數據，替換上有效數據，整理出至少連續一年的風場實測逐小時風速風向數據，計算這套數據的有效數據完整率。

（2）數據訂正　數據訂正是根據風場附近長期測站的觀測數據，將驗證后的風場測風數據訂正為一套反映風場長期平均水平的代表性數據。即風場測風高度上代表年的逐小時風速、風向數據。

具備以下條件的當地長期觀測站才可將風場短期數據訂正為長期數據：

a.同期測風結果的相關性較好；b.具有30年以上規范的測風記錄；c.與風場具有相似的地形條件；d.距離風場比較近。

（3）數據處理　數據處理是將訂正后的數據處理成評估風場風能資源所需要的各種參數，包括不同時段的平均風速和風功率密度、風速頻率分布和風能頻率分布、風向頻率和風能密度方向分布、風切變指數和湍流強度等。

①平均風速和風功率密度　月平均、年平均、各月同一鐘點（每日0點～23點）平均、全年同一鐘點平均。設定時段的平均風功率密度表達式為：

　　 （1-46） 　　

式中，D_wp為平均風功率密度，W/m²；n為設定時段的記錄數；ρ為空氣密度，kg/m³；為第i記錄的風速（m/s）值立方。

②風速和風能頻率分布　以1m/s為一個風速區間，統計每個風速區間內風速和風能出現的頻率。每個風速區間的數字代表中間值，如5m/s風速區間為4.6～5.5m/s。

③風向頻率及風能密度方向分布　計算出在代表16個方位的扇區內風向出現的頻率和風能密度方向分布。風能密度方向分布為全年各扇區的風能密度與全方位總風能密度的百分比。風能密度的表達式為：

　　 （1-47） 　　

式中，D_WE為風能密度，W·h/m²；m為風速區間數目；ρ為空氣密度，kg/m³；為第j風速區間的風速（m/s）值立方；t_j為某扇區或全方位第j風速區間風速發生的時間，h。

④風切變指數　推薦用冪定律擬合風切變冪律公式和風切變指數的計算如下。

風切變冪律公式為：

　　 （1-48） 　　

式中，a為風切變指數；V₂為高度Z₂處的風速，m/s；V₁為高度Z₁處的風速，m/s。

風切變指數a用下式計算：

　　 （1-49） 　　

式中，V₂與V₁用實測風速值。

如果沒有不同高度的實測風速數據，風切變指數a取1/7作為近似值。

⑤風能資源評估中采用的湍流指標是水平風速的標準偏差，再根據相同時段的平均風速計算出湍流強度（I_T）。逐小時湍流強度是以1h內最大的10min湍流強度作為該小時的代表值。

10min湍流強度由下式計算：

　　 （1-50） 　　

式中，I_T為湍流強度；σ為10min風速標準偏差，m/s；V為10min平均風速，m/s。

1.4.2.3　風能資源評估判據

（1）編制風況圖表　將處理好的各種風況參數繪制成曲線圖形，主要分為年風況類圖和月風況類圖兩大類。

①年風況類圖　包括全年的風速和風功率日變化曲線圖，風速和風功率的年變化曲線圖，全年的風速和風能頻率分布直方圖，全年的風向和風能玫瑰圖。

②月風況類圖　包括各月的風速和風功率日變化曲線圖，各月的風向和風能玫瑰圖。

③相關長期觀測站風況　與風場測風塔同期的風速年變化直方圖和連續20～30年的風速年際變化直方圖。

（2）風能資源評估判據

①風功率密度判據　風功率密度蘊含風速、風速分布和空氣密度的影響，是風場風能資源的綜合指標。風功率密度等級見表1-11。

②風向頻率及風能密度方向分布判據　風電場內機組位置的排列取決于風能密度方向分布和地形的影響。在風能玫瑰圖上，最好有一個明顯的主導風向或兩個方向接近相反的主風向。山區主風向與山脊走向垂直為最好。

③風速的日變化和年變化判據　對比各月的風速（或風功率密度）日變化曲線圖和全年的風速（或風功率密度）日變化曲線圖與同期的電網日負荷曲線；風速（或風功率密度）年變化曲線圖與同期的電網年負荷曲線對比，兩者相一致或接近的部分越多越好。

④湍流強度判據　I_T值不大于0.10，表示湍流相對較小。中等程度湍流的I_T值為0.10～0.25，更高的I_T值表明湍流過大。

⑤其他氣象因素判據　特殊的大氣條件要對風力機提出特殊的要求，會增加成本和運行的困難。如最大風速超過40m/s或極大風速超過60m/s；氣溫低于零下20℃；積雪、積冰、雷暴、鹽霧或沙塵多發地區等都要求對風力機特殊設計。