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风电场风能资源评估方法.doc

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风电场风能资源评估方法.doc

1目次前言1范围2引用标准3定义4测风数据要求5测风数据处理6风能资源评估的参考判据附录A(提示的附录)数据订正的方法附录B(标准的附录)风况参数的计算方法附录C(提示的附录)订正后的风况数据报告格式(示例)附录D(提示的附录)风况图格式(示例)2前言本标准是在总结我国风电场项目选址过程中评估风能资源的经验基础上,参考力争国外有关标准和规范编制的。主要有美国风能协会标准AWEA8.21993推荐的风能转换系统选址方法(RECOMMENDEDPRACTICEFORTHESITINGOFWINDENERGYCONVERSIONSYSTEMS),以及美国国家可再生能源实验室规范NREL/SR-440-22223风能资源评估手册(WINDRESOURCEASSESSMENTHANDBOOK)。本标准的附录B是标准的附录,附录A、附录C和附录D是提示的附录。本标准由科学技术部、国家电力公司提出。本标准由全国能源基础与管理标准化技术委员会新能源和可再生能源分技术委员会归口。本标准由中国水利水电建设工程咨询公司负责起草。本标准主要起草人施鹏飞、朱瑞兆、娄慧英、易跃春、刘文峰、谢宏文。3中华人民共和国国家标准风电场风能资源评估方法GB/T18710-2002logyofwindenergyresourceassessmentforwindfarm1范围本标准规定了评估风能资源应收集的气象数据、测风数据的处理及主要参数的计算方法、风功率密度的分级、评估风能资源的参考判据、风能资源评估报告的内容和格式。本标准适用于风电场风能资源评估。2引用标准下列标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出版时,所示版本均为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T18709-2002风电场风能资源测量方法3定义本标准采用下列定义。3.1风场windsite4拟进行风能资源开发利用的场地、区域或范围。3.2风电场windfarm由一批风力发电机组或风力发电机组群组成的电站。3.3风功率密度windpowerdensity与风向垂直的单位面积中风所具有的功率。3.4风能密度windenergydensity在设定时段与风向垂直的单位面积中风所具有的能量。3.5风速windspeed空间特定点的风速为该点周围气体微团的移动速度。3.6平均风速averagewindspeed给定时间内瞬时风速的平均值,给定时间从几秒到数年不等。3.7最大风速maximumwindspeed10min平均风速的最大值。3.8极大风速extremewindspeed瞬时风速的最大值。3.9风速分布windspeeddistribution用于描述连续时限内风速概率分布的分布函数。3.10威布尔分布Weibulldistribution经常用于风速的概率分布函数,分布函数取决于两个参数,控制分布宽度的形状参数和控制平均风速分布的尺度参数。3.11瑞利分布Rayleighdistribution经常用于风速的概率分布函数,分布函数取决于一个调节参数,5即控制平均风速分布的尺度参数。注瑞利分布是形状参数等于2的威布尔分布。3.12日变化diurnalvariation以日为基数发生的变化。月或年的风速(或风功率密度)日变化是求出一个月或一年内,每日同一钟点风速的月平均值或年平均值,得到0点到23点的风速(或风功率密度)变化。3.13年变化annualvariation以年为基数发生的变化。风速(或风功率密度)年变化是从1月到12月的月平均风速(或风功率密度)变化。3.14年际变化interannualvariation以30年为基数发生的变化。风速年际变化是从第1年到第30年的年平均风速变化。3.15风切变windshear风速在垂直于风向平面内的变化。3.16风切变幂律powerlawforwindshear表示风速随离地面高度以幂定律关系变化的数学式。3.17风切变指数windshearexponent通常用于描述风速剖面线形状的幂定律指数。3.18湍流强度turbulenceintensity风速的标准偏差与平均风速的比率。用同一组测量数据和规定的周期进行计算。3.19轮毂高度hubheight6从地面到风轮扫掠面中心的高度。4测风数据要求4.1风场附近气象站、海洋站等长期测站的测风数据4.1.1在收集长期测站的测风数据时应对站址现状和过去的变化情况进行考察,包括观测记录数据的测风仪型号、安装高度和周围障碍物情况(如树木和建筑物的高度,与测风杆的距离等),以及建站以来站址、测风仪器及安装位置、周围环境变动的时间和情况等。注气象部门海洋站保存有规范的测风记录,标准观测高度距离地面10m。1970年以后主要采用EL自记风速仪,以正点前10min测量的风速平均值代表这一个小时的平均风速。年平均风速是全年逐小时风速的平均值。4.1.2应收集长期测站以下数据a)有代表性的连续30年的逐年平均风速和各月平均风速。注应分析由于气象站的各种变化,对风速记录数据的影响。b)与风场测站同期的逐小时风速和风向数据。c)累年平均气温和气压数据。d)建站以来记录到的最大风速、极大风速及其发生的时间和风向、极端气温、每年出现雷暴日数、积冰日数、冻土深度、积雪深度和侵蚀条件(沙尘、盐雾)等。注本标准中逐小时风速、风向、温度和气压数据分别是每个小时的平均风速、出现频率最大的风向、平均温度和平均气压。4.2风场测风数据7应按照GB/T18709-2002年的规定进行测风,获取风场的风速、风向、气温、气压和标准偏差的实测时间序列数据,极大风速及其风向。5测风数据处理5.1总则测风数据处理包括对数据的验证、订正,并计算评估风能资源所需要的参数。5.2数据验证5.2.1目的数据验证是检查风场测风获得的原始数据,对其完整性和合理性进行判断,检验出不合理的数据和缺测的数据,经过处理,整理出至少连续一年完整的风场逐小时测风数据。5.2.2数据检验5.2.2.1完整性检验a)数量数据数量应等于预期记录的数据数量。b)时间顺序数据的时间顺序应符合预期的开始、结束时间、中间应连续。5.2.2.2合理性检验a)范围检验,主要参数的合理范围参考值见表1。8表1主要参数的合理范围参考值主要参数合理范围平均风速0≤小时平均风速<40m/s风向0≤小时平均值<360平均气压(海平面)94kPa≤小时平均值≤106kPab)相关性检验,主要参数的合理相关性参考值见表2。表2主要参数的合理相关性参考值主要参数合理范围50m/30m高度小时平均风速差值<2.0m/s50m/10m高度小时平均风速差值<4.0m/s50m/30m高度风向差值<22.5c)趋势检验,主要参数的合理变化趋势参考值见表3。表3主要参数的合理变化趋势参考值主要参数合理变化趋势1h平均风速变化<6m/s1h平均温度变化<5℃3h平均气压变化<1kPa注各地气候条件和风况变化很大,三个表中所列参数范围供检验时参考,在数据超出范围时应根据当地风况特点加以分析判断。95.2.3不合理数据和缺测数据的处理5.2.3.1检验后列出所有不合理的数据和缺测的数据及其发生的时间。5.2.3.2对不合理数据再次进行判别,挑出符合实际情况的有效数据,回归原始数据组。5.2.3.3将备用的或可供参考的传感器同期记录数据,经过分析处理,替换已确认为无效的数据或填补缺测的数据。5.2.4计算测风有效数据的完整率,有效数据完整率应达到90。有效数据完整率按下式计算100应测数目无效数据数目缺测数目应测数目有效数据完整率式中应测数目测量期间小时数;缺测数目没有记录到的小时平均值数目;无效数据数目确认为不合理的小时平均值数目。5.2.5验证结果经过各种检验,剔除掉无效数据,替换上有效数据,整理出至少连续一年的风场实测逐小时风速风向数据,并注明这套数据的有效数据完整率。编写数据验证报告,对确认为无效数据的原因应注明,替换的数值应注明来源。此外,宜包括实测的逐小时平均气温(可选)和逐小时平均气压10(可选)。5.3数据订正5.3.1目的数据订正是根据风场附近长期测站的观测数据,将验证的风场测风数据订正为一套反映风场长期平均水平的代表性数据,即风场测风高度上代表年的逐小时风速风向数据。5.3.2当地长期测站宜具备以下条件才可将风场短期数据订正为长期数据a)同期测风结果的相关性较好;b)具有30年以上规范的测风记录;c)与风场具有相似的地形条件;d)距离风场比较近。5.3.3应收集的长期测站有关数据见4.1.2。5.3.4数据订正的方法见附录A。5.4数据处理5.4.1目的将订正后的数据处理成评估风场风能资源所需要的各种参数,包括不同时段的平均风速和风功率密度、风速频率分布和风能频率分布、风向频率和风能密度方向分布、风切变指数和湍流强度等。5.4.2平均风速和风功率密度月平均、年平均;各月同一钟点(每日0点至23点)平均、全年同一钟点平均。11风功率密度的计算方法见附录B1。5.4.3风速和风能频率分布以1m/s为一个风速区间,统计每个风速区间内风速和风能出现的频率。每个风速区间的数字代表中间值,如5m/s风速区间为4.6m/s到5.5m/s。5.4.4风向频率及风能密度方向分布计算出在代表16个方位的扇区内风向出现的频率和风能密度方向分布。风能密度方向分布为全年各扇区的风能密度与全方位总风能密度的百分比。风能密度的计算方法见附录B2。注出现频率最高的风向可能由于风速小,不一定是风能密度最大的方向。5.4.5风切变指数推荐用幂定律拟合,风切变幂律公式和风切变指数的计算方法见附录B3。如果没有不同高度的实测风速数据,风切变指数α取1/7(0.143)作为近似值。注近地层任意高度的风速,可以根据风切变指数和仪器安装高度测得的风速推算出来。估算风力发电机组发电量时需要推算出轮毂高度的风况。5.4.6湍流强度12风能资源评估中采用的湍流指标是水平风速的标准偏差,再根据相同时段的平均风速计算出湍流强度(IT)5.4.6.1湍流强度的计算方法见附录B4。5.4.6.2逐小时湍流强度。逐小时湍流强度是以1h内最大的10min湍流强度作为该小时的代表值。5.4.6订正后的风况数据报告格式(示例)见附录C。6风能资源评估的参考判据6.1编制风况图表将5.4条中处理好的各种风况参数绘制成图形。主要分为年风况和月风况两大类。风况图格式(示例)见附录D。6.1.1年风况a)全年的风速和风功率日变化曲线图;b)风速和风功率的年变化曲线图;c)全年的风速和风能频率分布直方图;d)全年的风向和风能玫瑰图。6.1.2月风况a)各月的风速和风功率日变化曲线图;b)各月的风向和风能玫瑰图。6.1.3相关长期测站风况13a)与风场测风塔同期的风速年变化直方图;b)连续2030年的风速年际变化直方图。注将各种风况参数绘制成图形能够更直观地看出风场的风速、风向和风能的变化,便于和当地的地形条件、电力负荷曲线等比较,判断是否有利于风力发电机组的排列、风电场输出电力的变化是否接近负荷需求的变化等。6.2风能资源评估的参考判据6.2.1风功率密度风功率密度蕴含风速、风速分布鞋空气密度的影响,是风场风能资源的综合指标,风功率密度等级见表4。应注意表4中风速参考值依据的标准条件(见表4的注1、注2)与风场实际条件的差别。表4风功率密度等级表风功率密度等级10m高度30m高度50m高度应用于并网风力发电风功率密度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<2005.621001505.11602405.92003006.431502005.62403206.53004007.0较好42002506.03204007.04005007.5好52503006.44004807.45006008.0很好63004007.04806408.26008008.8很好740010009.4640160011.0800200011.9很好注1不同高度的年平均风速参考值是按风切变指数为1/7推算的。2与风功率密度上限值对应的年平均风速参考值,按海平面标准大气压及风速频率符合瑞利分布的情况推算。6.2.2风向频率及风能密度方向分布风电场同机组位置的排列取决于风能密度方向分布和地形的影14响。在风能玫瑰图上最好有一个明显的主导风向,或两个方向接近相反的主风向。在山区主风向与山脊走向垂直为最好。6.2.3风速的日变化和年变化用各月的风速(或风功率密度)日变化曲线图和全年的风速(或风功率密度)日变化曲线较,与同期的电网日负荷曲线对比;风速(或风功率密度)年变化曲线图,与同期的电网年负荷曲线对比,两者相一致或接近的部分越多越好。6.2.4湍流强度IT值在0.10或以下表示湍流相对较小,中等程度湍流的IT值为0.100.25,更高的IT值表明湍流过大。注风场的湍流特征很重要,因为它对风力发电机组性通用不利影响,主要是减少输出功率,还可能引起极端荷载,最终削弱和破坏风力发电机组。6.2.5其他气象因素特殊的天气条件要对风力发电机组提出特殊的要求,会增加成本和运行的困难,如最大风速超过40m/s或极大风速超过60m/s,气温低于零下20℃,积雪、积冰、雷暴、盐雾或沙尘多发地区等。15附录A(提示的附录)数据订正的方法将风场短期测风数据订正为代表年风况数据的方法如下1)作风场测站与对应年份的长期测站各风向象限的风速相关曲线。某一风向象限内风速相关曲线的具体作法是建一直角坐标系,横坐标轴为长期测站风速,纵坐标轴为风场测站的风速。取风场测站的该象限内的某一风速值(某一风速值在一个风向象限内一般有许多个,分别出现在不同时刻)为纵坐标,找出长期测站各对应时刻的风速值(这些风速值不一定相同,风向也不一定与风场测站相对应),求其平均值作为横坐标即可定出相关曲线的一个点,对风场测站在该象限内的其余每一个风速重复上述过程,就可作出这一象限内的风速相关曲线。对其余各象限重复上述过程,可获得16个风场测站与长期测站的风速相关曲线。2)对每个风速相关曲线,在横坐标轴上标明长期测站多年的年平均风速,通讯与风场测站观测同期的长期测站的年平均风速,然后在纵坐标轴上找到对应的风场测站的两个风速值,并求出这两个风速值的代数差值(共有16个代数差值)。3)风场测站数据的各个风向象限内的每个风速都有加上对应的16风速代数差值,即可获得订正后的风场测站风速风向资料。附录B(标准的附录)风况参数的计算方法B1风功率密度设定时段的平均风功率密度表达式为niiwpvD1321(W/m2)(B1)式中n在设定时段内的记录数;ρ空气密度,kg/m3;3iv第i记录的风速(m/s)值的立方。平均风功率密度的计算应是设定时段内逐小时风功率密度的平均值,不可用年(或月)平均风速计算年(或月)平均风功率密度。Dwp中的ρ必须是当地年平均计算值。它取决于温度和压力(海拔高度)。如果风场测风有压力和温度的记录,则空气密度按下式计算RTP(kg/m3)(B2)式中P年平均大气压力,Pa;R气体常数(287J/kgK);T年平均空气开氏温标绝对温度(℃273)如果没有风场大气压力的实测值,空气密度可以作为海拔高度17(z)和温度(T)的函数,按照下式计算出估计值TzeT/034.0/05.353(kg/m3)(B3)式中z风场的海拔高度,m;T年平均空气开氏温标绝对温度(℃273)。B2风能密度风能密度表达式为mjjjWEtvD1321(Wh/m2)(B4)式中m风速区间数目;ρ空气密度,kg/m3;3jv第j个风速区间的风速(m/s)值的立方;tj某扇区或全方位第j个风速区间的风速发生的时间,h。B3风切变幂律公式和风切变指数风切变幂律公式如下1212zzvv(B5)式中α风切变指数;v2高度z2的风速,m/s;v1高度z1的风速,m/s。风切变指数α用下式计算181212/lg/lgzzvv(B6)式中v1与v2为实测值。B4湍流强度的计算10min湍流强度按下式计算VIT(B7)式中σ10min风速标准偏差,m/s;V10min平均风速,m/s。

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