山地风电场测风技术探讨 以湖北省九宫山风电场为例 口李长庚 （湖北能源集团九宫山风电公司 湖北・成宁４３７１００） 摘要：由于局部地形地貌的差异性，在山区风电场建设中，测风需要考虑的因素增加很多，盲目采用原有的对 海面、平原、高原风电场测风设备和方法是不够的，需要因地制宜的进行重新优化设计。 关键词：山地风电场测风 中图分类号：ＴＫ８１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７．３９７３（２０１３）００５．０１９．０３ １引言 高原风电场测风设备和方法是远远不够的，需要因地制宜的 随着以石油和天然气等一次化石燃料的日益耗尽，能源 进行重新设计。地形条件的差异导致各种地形条件有着不同 问题是世界各国的战略问题，我国也在大力发展清洁高效无 的风力状况，测风也必须重视微观选址中对风力资源起影响 污染的风力发电。在风力发电机组微观选址中，风能资源状 作用的各个因素，不能一成不变的套用传统经验和技术。中 况是个首要因素，它决定风力发电机组每年的发电量。风能 国内陆风电开发起步就是最近几年，技术革新脚步并不快，风 资源状况除了受全球大范围的气候影响外，局部地形条件等 电场建设和风力测量数据在形式和要求上没有因地制宜进行 因素对于风能资源的影响不容忽视。局部地形地貌条件在一 技术方面的结合。 定程度上也影响了发电机组的效率、基建成本和检修维护成 ４九宫山风电设备运行个例分析 本。本文针对山地地形地貌条件，探讨了目前测风技术的一 通过九宫山风电场这些年生产运行和故障检修的情况看 些误区，对于山地风电场测风进行优化设计，可以增强风力发 来，发现了存在的不足和缺陷，分析得知局部地形地貌原因是 电机组微观选址科学性。 造成风力发电机组故障的主要原因。九宫山风电公司在运行 ２九宫山地形及风能资源特点 维护中，其中风力发电机组部件损坏较大的是齿轮箱。根据 湖北省山地面积占全省面积一半多，山地丘陵较多。其 风电设备公司的设计运行年限来看，齿轮箱损坏年限并没有 中通山县九宫山最高峰海拔１６５６．７米，所属的幕阜山脉为东 到故障频发期，但是在九宫山风电场运行初期已发生多起。九 西走向，位于华北平原和鄱阳湖平原之间的季风通道上，在离 宫山风电场总共有机组ｌ６台，齿轮箱损坏后，全部更换下来， 地面４０米高度的地方测风，九宫山年平均风速６．４米／秒，风 价值１００万左右，损失巨大。究其原因，是因为局部地形地貌 能资源比较丰厚，根据近年来的测定，风能资源在八月、九月 的差异造成风向的局部混乱，在风向混乱程度更大的地形上 最为丰富。 安装的机组发生此类故障更为频繁。分析得知，这种混乱的 ３测风技术必须因地制宜 风向，造成风力发电机组产生不规则的运行，叶片左右晃动和 沿海、西部、北部、西北和东北风场，由于这些地方风电场 上下窜动，从而造成齿轮箱中齿轮的啮合不严，风机稳定性差， 的地形开阔平坦，来风风向受地形阻碍的影响较小，风的来向 产生齿与齿之间的磕碰现象一打齿，运行时间一长，产生过多 没有受到或者较小受到地形切割作用，小范围的气候环境对 的铁屑，出现卡齿现象，从而将齿轮箱箱体崩裂开来，造成齿 风电机组影响不大，不容易形成混乱的风向，因此风的来向稳 轮箱的损坏。 定，而且稳定性高，测风的时候只需要计量风资源的状况和主 由此说明在机组微观选址测风时如果不注意风向的影响， 导风向。 在风力资源统计中，套用平原地区的测风经验是行不通的，必 然而在山地风场建设中，测风需要考虑的因素就增加了 须针对特定地形地貌条件，对风资源组成因素进行不同侧重 很多，例如：近地层上层与下层风速的日变化和风向出现差异、 点的测风。 风速切变系数较小且不是常数、某些高度问风速出现负切变 ５风电场测风的数学建模和编程 现象等。现在的风电场测风大多仍然采用着平原和海上风场 ５．１技术方案及程序 测风的技术形式，没有进行细化分析，盲目采用原有的对平原 假设一年中，在没有任何混乱风向的干扰，只有水平八个 ——斟协论坛・２０１３年第５期（下）—— 旦 风力方向（东、南、西、北、东南、东北、西南、西北）来风，这些方 向每个方向风力资源状况进行计时时间，这个数据代水平方 向每个方向的可利用风力累加。同时加入现成特定因素造成 ｆｏｒ（ｉｎｔｉ＝０；ｉ＜ｎ；ｉ＋＋） ｛ ｉｆ（ｄａｔａ［ｉ］．ｓｐｅｅｄ＞３＆＆ｄａｔａ［ｉ］．ｓｐｅｅｄ＜２ １） ｔｏｔａｌ＋＋： 的不可利用的时间，以九宫山风电场为例。 （１）一年中，水平八个风力方向，这些方向每个方向风力资 源状况进行计时ｔｌ（大于３米／秒，小于２ｌ米／秒），总共８个方 ） ｒｅｔｕｒｎ ｔｏｔａｌ； 向，将水平方向每个方向的风力统计数据累加就可以了。括 ） ｔｌ＝Ｔ 号后面条件争对Ｇ５８风机切入风速和最大风速来设定的。 ｏｒＥｖｅｒｙＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（Ｅａｓｔ，ＤＡＴ－ （２）一年中，水平方向，两个不同方向来风同时控制的时间 ＡＣＯＵＮＴ）＋ 数据的统一累加为ｔ２（两个风向夹角大于或者等于９０度，并 且风速大于３米／秒，小于２ｌ米／秒）。 （３）一年中，水平向某个方向来风方向与垂直方向上升气 ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＦｏｒＥｖｅｒｙＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（ＳｏｕｔｈＥａｓｔ， ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ）＋ ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＦｏｒＥｖｅｒｙＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（Ｓｏｕｔｈ，ＤＡＴ— 流同时来风同时控制时间数据的统一累加为ｔ３（两个风向夹 ＡＣＯＵＮＴ）＋ 角大于或者等于９Ｏ度，并且风速大于３米／秒’，Ｊ、于２ｌ米，秒）。 ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＦｏｒＥｖｅｒｙＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（ＳｏｕｔｈＷｅｓｔ， （４）垂直方向的来风单独控制时间ｔ４（大于３米／秒’／Ｊ、于２１ ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ）＋ 米／秒）。 ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＦｏｒＥｖｅｒｙＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（Ｗｅｓｔ，ＤＡＴＡ— （５）得出一年中各个风力数据：ｔｌ、ｔ２、ｔ３，考虑这些自然因 ＣＯＵＮＴ）＋ 素后，得出的风力发电机组可利用风力发电数据ｔ＝ｔ１．ｔ２．ｔ３＋ｔ４。 ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＦｏｒＥｖｅｒｙＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（ＮｏｒｔｈＷｅｓｔ， 假设在水平８个方向分别有１个风力测速仪，垂直方向 ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ） 也有一个风力测速仪。采集到的数据为某一时间段内的风速、 方向（通过夹角表示）。则数据模型可以如下定义： ＋ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＦｏｒＥｖｅｒｙＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（Ｎｏｒｔｈ，ＤＡＴＡ— ＣＯＵＮＴ）＋ ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＦｏｒＥｖｅｒｙＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（ＮｏｒｔｈＥａｓｔ， 每一个风力数据记为ＷｉｎｄＤａｔａ，有３个属性：速度（记为 ｓｐｅｅｄ），风向（记为ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ），统计的时间（记为ｔｉｍｅ）。其中 ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ）； 水平方向上的ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ￣的是水平方向上东、南、西、北、东南、 东北、西南、西北等八个方向。 假设一年中每个风力测速仪都有在相同的时间点采集数 ｉｎｔ ＣｏｎｔｒｏｌＯｎＴｈｅＳａｍｅＴｉｍｅ（ＷｉｎｄＤａｔａ ｄａｔａｌ［］，ＷｉｎｄＤａｔａ ｄａｔａ２［］，ｉｎｔ ｎ）｛ ｉｎｔ ｔｏｔａｌ； 据，且每一个仪器采集的时间点总数（也即数据总数）为ＤＡＴ． ＡＣＯＵＮＴ。根据以上方案采用Ｃ语言编写程序如下： ｓｔｒｕｃｔ ＷｉｎｄＤａｔａ｛ ｄｏｕｂｌｅ ｓｐｅｅｄ； ｄｏｕｂｌｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ； ｆｏｒ（ｉｎｔｉ＝０；ｉ＜ｎ；ｉ＋＋）｛ ｉｆ（ｄａｔａｌ［ｉ］．ｓｐｅｅｄ＞３＆＆ｄａｔａｌ［ｉ］．ｓｐｅｅｄ ＜２１＆＆ｄａｔａ２［ｉ］．ｓｐｅｅｄ＞３＆＆ｄａｔａ［ｉ］２．ｓｐｅｅｄ＜２１） ｔｏｔａｌ＋＋： ） ｝ ｂｏｏｌ ＯｎｌｙＯｎｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（ＷｉｎｄＤａｔａ ｄａｔａ［］，ｉｎｔ ｎ）｛ ｉｎｔ ｃｏｕｎｔ＝０： ）； ＷｉｎｄＤａｔａ Ｅａｓｔ［ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ］； ＷｉｎｄＤａｔａ ＳｏｕｔｈＥａｓｔ［ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ］； ＷｉｎｄＤａｔａ Ｓｏｕｔｈ［ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ］； ＷｉｎｄＤａｔａ ＳｏｕｔｈＷｅｓｔ［ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ］； ｗｈｉｌｅ（ｎ＞＝０）｛ ｎ一； ＷｉｎｄＤａｔａ Ｗｅｓｔ［ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ］； ＷｉｎｄＤａｔａ ＮｏｒｔｈＷｅｓｔ［ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ］； ｉｆ（ｃｏｕｎｔ＞１） ｒｅｔｕｒｎ ＦＬＡＳＥ； ＷｉｎｄＤａｔａ Ｎｏｒｔｈ［ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ］； ＷｉｎｄＤａｔａ ＮｏｒｔｈＥａｓｔ［ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ］； ＷｉｎｄＤａｔａ ＶｅｒｔｉｃａＩ［ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ］； ｉｎｔ ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＦｏｒＥｖｅｒｙＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（ＷｉｎｄＤａｔａ ｄａｔａ 口，ｉｎｔ ｎ） ｉ（ｆｄａｔａ［ｉｌ．ｓｐｅｅｄ＞３＆＆ｄａｔａ［ｉ］．ｓｐｅｅｄ＜２１） ＣＯＵｎｔ＋＋： ） ｒｅｔｕｒｎ ＴＲＵＥ； ） ｉｎｔ ＴｏｔａｌＯｎｌｙＯｎｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎ０｛ ＷｉｎｄＤａｔａ ｄａｔａ［８１； ｛ ｉｎｔｔｏｔａｌ＝０： ——斟协论坛・２０１３年第５期（下）—— ｉｎｔｔｏｔａｌ ０： 地区两种不同风向的控制：这两种相对来风，在现场运行维护 ｆｏｒ（ｉｎｔｉ＝Ｏ：ｉ＜ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ；ｉ＋＋）｛ 中，风机不停的偏航解缆。 ｄａｔａ［０】＝Ｅａｓｔ［ｉ］； ｔ３：内陆地区所处亚热带季风气候影响，冬季风和夏季风 ｄａｔａ［１】＝ＳｏｕｔｈＥａｓｔ［ｉ］； 交替控制，和一些其他的水平风向；这些风向与山地丘陵地形 ｄａｔａ［２】＝Ｓｏｕｔｈ［ｉ］； 特有的山谷风和爬坡风同时控制风机的运行。这两种风控制 ｄａｔａ［３】＝ＳｏｕｔｈＷｅｓｔ［ｉ］； 时，和ｔ２产生现象相同，在现场运行维护中，风机不停的偏航 ｄａｔａ［４】＝Ｗｅｓｔ［ｉ］； 解缆，偶尔报些振动传感器动作。 ｄａｔａ［５】＝ＮｏｒｔｈＷｅｓｔ［ｉ］； ｔ４：每年都有一段时间，水平来风很少，温度高，形成一种 ｄａｔａ［６】＝Ｎｏｒｔｈ［ｉ］； 空气流动的相对静态，但是由于昼夜温差大的原因，形成强对 ｄａｔａ［７】＝ＮｏｒｔｈＥａｓｔ［ｉ］； 流，如山谷风、爬坡风等，这个时候白天风力发电机组出力很 ｉｆ（０ｎＩｙ０ｎｅＤｉｒｅｃｔｉ０ｎ（ｄａｔａ，８）） 少，傍晚和夜间风机发电效果很好，形成特有的地理环境的风 ｔｏｔａｌ＋＋； 况，这个风况对于风场风机运行起来，不会出现偏航等故障， ） 但是长时间运行，风机会不停上下窜动，造成磕碰和磨损严重， ） 从而损坏轴承、齿轮箱等传动部分的发电机部件。 ｔ２＝ｔｌ－ＣｏｎｔｒｏｌＯｎＴｈｅＳａｍｅＴｉｍｅ（Ｅａｓｔ，ＳｏｕｔｈＥａｓｔ，ＤＡＴＡ－ 在九宫山风电公司的实际应用中，采用这个基本的数学 ＣＯＵＮＴ） 建模方案，因地制宜地进行风力资源测量，通过计算机编程处 一ＣｏｎｔｒｏｌＯｎＴｈｅＳａｍｅＴｉｍｅ（ＳｏｕｔｈＥａｓｔ，Ｓｏｕｔｈ，ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ） 理测量的数据，得出一个风机微观选址风况的数据基准值，以 －ＣｏｎｔｒｏｌＯｎＴｈｅＳａｍｅＴｉｍｅ（Ｓｏｕｔｈ，ＳｏｕｔｈＷｅｓｔ，ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ） 其为基础合理进行风场微观选址，在该公司后来的运行中较 －ＣｏｎｔｒｏｌＯｎＴｈｅＳａｍｅＴｉｍｅ（ＳｏｕｔｈＷｅｓｔ，Ｗｅｓｔ，ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ） 好地避免了先前的齿轮箱故障频发事件，同时一定程度上提 ・ＣｏｎｔｒｏｌＯｎＴｈｅＳａｍｅＴｉｍｅ（Ｗｅｓｔ，ＮｏｒｔｈＷｅｓｔ，ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ） 高了发电的经济效益。 －ＣｏｎｔｒｏｌＯｎＴｈｅＳａｍｅＴｉｍｅ（ＮｏｒｔｈＷｅｓｔ，Ｎｏｒｔｈ，ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ） ６结束语 －ＣｏｎｔｒｏｌＯｎＴｈｅＳａｍｅＴｉｍｅ（Ｎｏｒｔｈ，ＮｏｒｔｈＥａｓｔ，ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ） 九宫山风场做为中国内陆第一风电场，真正建设开始于 －ＣｏｎｔｒｏｌＯｎＴｈｅＳａｍｅＴｉｍｅ（ＮｏｒｔｈＥａｓｔ，Ｅａｓｔ，ＤＡＴＡＣＯＵＮＴ） ２００７年，所以中国内陆风电发展起步相对来说比较晚。 －ＴｏｔａｌＯｎｌｙＯｎｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（）： 内陆地区风电发展起步较晚，九宫山风电场建成，标志中 ｉｎｔ ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＢｅｔｗｅｅｎＶｅｒｔｉｃａｌＡｎｄＨｏｒｉｚｏｎｔａｌ０（ 国内陆第一个风电场的建成，为中国内陆风场起了标杆性的 ｉｎｔｔｏｔａｌ＝０： 作用，由于九宫山风电场的带动性作用，掀起了中国内陆建风 ｆｏｒ（ｉｎｔｉ＝０；ｉ＜ｎ；ｉ＋＋）｛ 电场的热潮。风力发电机组对于不同地理形态有着不同的要 ｉｆ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ【ｉ】．ｓｐｅｅｄ＞３＆＆Ｖｅｒｔｉｃａｌ 求，虽然刚刚起步的内陆风场发展走些弯路很正常，但是长时 【ｉ】．ｓｐｅｅｄ＜２１＆＆Ｖｅｒｔｉｃａｌ［】】．ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ＞４５＆＆Ｖｅｒｔｉｃａｌ【ｌ】 间不予以纠正是对资源和设备的极大浪费，也证明内陆风场 在技术上必须进行有效的自我探索。作为一名从事风电的工 ．ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ＜１３５） ｔｏｔａｌ＋＋； 作人员，不仅要了解风电机组运行工作和风场的建设，还应该 ） 对各项工作不断进行总结，总结其中不足，这对于风电公司后 ｒｅｔｕｒｎ ｔｏｔａｌ； 期的工作起指导作用，也为其它的内陆风场建设提供借鉴意 ｝ 义，弥补内陆风电场建设中的盲区，提高风力发电机组在高山 ｔ３＝ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＢｅｔｗｅｅｎＶｅｒｔｉｃａｌＡｎｄＨｏｒｉｚｏｎｔａｌ０； 风场中的发电效率，减少其因建设选址造成风力发电机组的 ｔ４＝ＴｏｔａｌＷｉｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓＦｏｒＥｖｅｒｙＤｉｒｅｃｔｉｏｎ（Ｖｅｒｔｉｃａ１．ＤＡＴ— 损坏，降低运营成本，促进风电事业进一步的发展。 ＡＣＯＵＮＴ）－ｔ３； ５．２数据参数解释 参考文献： ｔｌ：对于整年风速的状况统计，这个数据描述可利用风力 ［１】金建范．关于湖北省风力发电开发的探讨［Ｊ］．湖北电力， 的情况，这是风力发电机组选址的一个基础因素；对于高原和 ２０００，２４（２）：４４－４５． ［２】黎发贵，巫卿．浅谈风电场测风［Ｊ】＿水力发电，２００８，３４（７）： 平原风场来说，ｔｌ－－－ｔ，高原和平原地区地形开阔，风向可以只考 ８２－８５． 虑水平方向，但是丘陵和山地由于地形落差，存在极其强烈的 【３】杨宏青，刘敏，冯光柳，等．湖北省风能资源评估【Ｊ】．华中农业 对流，如山谷风、爬坡风等，因此ｔｌ表示水平方向的主导来风。 大学学报，２００６，２５（６）：６８３－６８６． ｔ２：由于丘陵和高山风场的特殊性，地形对于风来向阻挡 【４】洪祖兰，张云杰．山区风资源特点和对风电机组、风电场设 和切割作用，或者是褶皱山脉两边小区域的环流，形成同一个 计的建议【Ｊ】．云南水力发电，２００８，２４（３）：９・１３． ——斟协论ｌｊｊ・２０１３年第５期（下）——