一種新型的風(fēng)電場50年一遇安全風(fēng)速計算方法的對比分析

一種新型的風(fēng)電場50年一遇安全風(fēng)速計算方法的對比分析摘要：采用極值I型函數(shù)和EWM模型，結(jié)合氣象站與風(fēng)電場測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)，推算風(fēng)電場輪轂高度處50年一遇的最大風(fēng)速，并將計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果顯示：對于山地風(fēng)電場，采用極值I型推算得到50年一遇最大風(fēng)速與通過EWM模型測試得到的50年一遇最大風(fēng)速的結(jié)果存在較大差異。而對于地勢平坦的風(fēng)電場，這兩種測算50年一遇的最大風(fēng)速的結(jié)果比較接近。關(guān)鍵詞：50年一遇最大風(fēng)速;極值I型函數(shù)、EWM模型ABSTRACT:Withthedataofmeteorologicalstationandmeteorologymastonthewindfarm,Theextremewindspeedof50yearsathubheightiscalculatedusingextremevaluetypeIfunctionandEWMmodel.Theresultsshowthatthereisabigdifferenceformountainwindfarmbetweenextremewindspeedof50yearsusingextremevaluetypeIfunctionandextremewindspeedof50yearsusingEWMmodel,butthereisacloseresultforflatwindfarmbetweenextremewindspeedof50yearsusingextremevaluetypeIfunctionandextremewindspeedof50yearsusingEWMmodel.KEYWORDS:The50-yearExtremeWindSpeed;ExtremeValuetypeIFunction.EWMmodel前言：風(fēng)電場建設(shè)的最基本要求是風(fēng)能資源豐富，風(fēng)向較穩(wěn)定的區(qū)域。但隨著國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，就地消納困難，大規(guī)模并網(wǎng)及遠(yuǎn)距離傳輸對電網(wǎng)提出更高的要求等問題凸顯等，能用于開發(fā)的較好風(fēng)資源越來越少，剩余的風(fēng)資源區(qū)域大多為偏遠(yuǎn)地帶或較差風(fēng)資源地帶。這種風(fēng)電場對風(fēng)機的安全穩(wěn)定運行提出更大的挑戰(zhàn)。如風(fēng)力發(fā)電機組的安全性能校核不好，易造成風(fēng)機倒塌事故的發(fā)生，給投資商帶來巨大的經(jīng)濟損失。同時，為風(fēng)機制造商帶來不利影響。依據(jù)IEC與GL風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，50年一遇10分鐘最大風(fēng)速是風(fēng)電機組承受其極限載荷的關(guān)鍵的性能指標(biāo)，也是風(fēng)電機組最終選型的關(guān)鍵指標(biāo)之一，故對風(fēng)電場內(nèi)輪轂高度50年一遇最大風(fēng)速的準(zhǔn)確性判斷顯得尤為重要。目前，國內(nèi)多采用《全國風(fēng)能資源評價技術(shù)規(guī)定》[1]中極值I型概率分布函數(shù)，結(jié)合風(fēng)電場區(qū)域氣象數(shù)據(jù)推算本區(qū)域內(nèi)10米高度的50年一遇的極大風(fēng)速。隨后，利用氣象數(shù)據(jù)與測風(fēng)塔數(shù)據(jù)之間相關(guān)性及風(fēng)切變函數(shù)，推算風(fēng)電場輪轂高度處50年一遇的最大風(fēng)速。除此之外，GL風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中也提出一種EWM(Extremewindspeedmode)模型計算風(fēng)電場50年重現(xiàn)期的最大風(fēng)速公式。通過這兩種方法對實際工程中計算結(jié)果的比較分析，探討一種新型的50年一遇最大風(fēng)速計算方法的可行性，為實際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。1、風(fēng)電場項目介紹風(fēng)電場50年一遇的最大風(fēng)速是風(fēng)機安全穩(wěn)定運行基本保障,依據(jù)IEC風(fēng)力發(fā)電機組選型標(biāo)準(zhǔn)，須明確風(fēng)電場50年一遇的安全風(fēng)速，才能正確地選擇風(fēng)力發(fā)電機組，保證風(fēng)電場的經(jīng)濟性與安全性。本文選取中原地區(qū)不同復(fù)雜程度的4個風(fēng)電場與1個“三北”風(fēng)電場，輔以風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)氣象數(shù)據(jù)與測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，對這5種類型的風(fēng)電場50年一遇的最大風(fēng)速進(jìn)行計算與數(shù)據(jù)對比分析，尋求兩種計算方法的各自點。A風(fēng)電場以丘陵山地為主，高程1100~1500米，坡度10-30°，局部山體較為陡峻；B風(fēng)電場為山地地形，高程750~1075米，坡度4-20°，局部山體較為陡峻；C風(fēng)電場山體基本連續(xù)，山頂高程500-700米，山脊較為平緩寬廣；D風(fēng)電場為低山丘陵，山頂高程為300-450米，谷底高程為70-90米；E風(fēng)電場地形較為平坦，場地開闊；2、風(fēng)電場的安全等級風(fēng)電場的安全等級是保證風(fēng)機在承受極限載荷條件下能夠穩(wěn)定運行,實際工程應(yīng)用中，風(fēng)力發(fā)電機組等級即是風(fēng)電場的安全等級，其包含三個方面：年平均風(fēng)速、湍流強度及50年一遇最大風(fēng)速，其設(shè)計依據(jù)IEC風(fēng)力發(fā)電機組分類標(biāo)準(zhǔn)。按照最新2005版IEC標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)機劃分為四類，見表2-1[2]。表2-1風(fēng)電機組等級分類 3、數(shù)據(jù)分析方法3.1極值I型分布函數(shù)依據(jù)《全國風(fēng)能資源評價技術(shù)規(guī)定》，風(fēng)電場最大風(fēng)速χ采用極值I型概率分布[3]和密度分布函數(shù)為：（1）（2）（1）與（2）公式中，u為分布的位置參數(shù)，α為分布的尺度參數(shù)。假定有限個年平均風(fēng)速最大值，用w表示。因風(fēng)速是離散數(shù)據(jù)，按照數(shù)學(xué)期望E(w)和標(biāo)準(zhǔn)方差σ計算公式，可得到有限樣本內(nèi)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差σ。分布的尺度參數(shù)α與均值及標(biāo)準(zhǔn)差σ之間的關(guān)系式如下：（3）（4） （5）（6）其中C1、C2通過《全國風(fēng)能資源評價技術(shù)規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)附表中查得。C1、C2數(shù)值見表3-1，n代表測風(fēng)數(shù)據(jù)年數(shù)。表3-1系數(shù)C1與C2數(shù)值一覽表重現(xiàn)期風(fēng)速：以年為一個自然周期定義年最大風(fēng)速，極值定理選取的樣本以年最大風(fēng)速值測量的。從概率分布的角度分析，兩次重復(fù)出現(xiàn)相同10分鐘平均最大風(fēng)速的間隔周期稱為重現(xiàn)期，用T表示。重現(xiàn)期是以年為單位，則在任一年中超過10分鐘平均最大風(fēng)速一次的概率為1/T，故小于該風(fēng)速的概率，即重現(xiàn)期為T的風(fēng)速計算公式如下：（7）其中u是分布的位置參數(shù)，α是分布的尺度參數(shù)，XT為重現(xiàn)期的最大風(fēng)速。依據(jù)公式（3）、（4）、（5）、（6）、（7）可求出風(fēng)電場10米高度重現(xiàn)期為T的最大風(fēng)速。3.2極大風(fēng)速模型(Extremewindspeedmodel，簡稱EWM)極大風(fēng)速用來定義風(fēng)力發(fā)電機組在極端狀況下承受的風(fēng)速載荷，該載荷包括因擾動和快速變化在風(fēng)速和風(fēng)向上產(chǎn)生的尖峰風(fēng)速。除極端狀況下的風(fēng)速載荷外，風(fēng)力發(fā)電機組的極大風(fēng)速載荷也包含潛在湍流風(fēng)的影響。因此，對影響風(fēng)力發(fā)電機組載荷的確定因素在風(fēng)機設(shè)計時必須考慮。（1