中國高海拔地區(qū)風(fēng)特性研究

隨著中國電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)市場已經(jīng)從“三北”地區(qū)發(fā)展到人口密集、供電負(fù)荷大、建設(shè)條件好的南方地區(qū)。然而，這些地區(qū)地形復(fù)雜，建設(shè)條件差，風(fēng)速資源一般?！暗惋L(fēng)速”、“高海拔”、“防風(fēng)”等概念在特殊項(xiàng)目的環(huán)境條件下得到了提出。國家能源局“十二五”第二批、第三批及增補(bǔ)擬核準(zhǔn)項(xiàng)目總量約50GW,其中云南、貴州、青海等高海拔地區(qū)容量合計約7.1GW,占比約15%,開發(fā)容量可觀。但在云貴地區(qū)風(fēng)電開發(fā)建設(shè)和運(yùn)行過程中,卻逐漸暴露出一些問題,原因主要在于對高海拔地區(qū)氣候、風(fēng)況特性了解不夠,風(fēng)能資源前期評估工作粗放,風(fēng)電機(jī)組可靠性和適應(yīng)性低。本報告主要基于云貴高原和青海地區(qū)進(jìn)行風(fēng)特性的研究,分析該地區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向、湍流、切變等風(fēng)特性,總結(jié)不同地形、地貌及氣候背景下高海拔地區(qū)風(fēng)特性的差異性和關(guān)聯(lián)性,同時通過已運(yùn)行風(fēng)電場的后評估經(jīng)驗(yàn),為后續(xù)高海拔地區(qū)風(fēng)電開發(fā)及風(fēng)電場建設(shè)、運(yùn)行提供更有力的理論與經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。陰山山地云貴高原中國地區(qū)海拔在2000m以上的區(qū)域包括青藏高原、云貴高原、青藏高原與黃土高原交界、天山山系(見圖1a)。青海東北部由阿爾金山、祁連山數(shù)列平行山脈和谷地組成,平均海拔4000m以上,西北部是阿爾金山、祁連山和昆侖山環(huán)繞的柴達(dá)木盆地,海拔600m-3000m之間(見圖1b);云貴高原位于雪峰山以西,大婁山以南,哀牢山以東,地勢西北高,東南低,西部海拔在2000m以上,高原地形較為明顯,山地頂部多呈寬廣平坦地面,或呈和緩起伏地面,東部起伏較大,山脈較多,海拔在1000m-1500m之間(見圖1c)。云貴高原西部主要在云南省境內(nèi),山嶺基本上以南北走向?yàn)橹?如點(diǎn)蒼山、烏蒙山和龍山等;東部主要在貴州省境內(nèi),山嶺基本上是東北一西南走向。高度風(fēng)特征一、風(fēng)速與海拔高度的關(guān)系云貴高原整體西高東低、北高南低,有高山、平壩、峽谷、丘陵、隆升地形,海拔在2000mm-3500m之間,該區(qū)域地形基本為南北走向的單一、狹長山體,風(fēng)速與海拔高度呈一定的梯度變化關(guān)系如圖2所示,一般情況下海拔越高、風(fēng)速越大,由于海拔差異大,風(fēng)速差異大,70m高年平均風(fēng)速約在6m/s-10m/s之間。青海省北部和西北部主要為山嶺谷地,東部為河湟谷地,西部為柴達(dá)木盆地,風(fēng)電項(xiàng)目擬開發(fā)區(qū)域海拔一般在2700m-3500m之間,地形為平坦的荒漠、戈壁灘,風(fēng)能資源分布較平均,差異不大,如圖3所示,70m高風(fēng)速一般在5m/s-7m/s之間,屬于低風(fēng)速區(qū)。二、風(fēng)切變的區(qū)域差異風(fēng)切變反映了風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律,與地形地貌、地表粗糙度、熱力穩(wěn)定度相關(guān),其中,地形地貌對風(fēng)切變的影響比地表粗糙度更明顯,尤其是陡峭地形,在迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡度大于30%的山脊上,背風(fēng)側(cè)會出現(xiàn)湍流區(qū),在一定條件下,風(fēng)速隨高度的增加會減小,即負(fù)切變。故不同地形、地表及熱力穩(wěn)定度條件下,風(fēng)切變的大小是有規(guī)律可循的。青藏高原屬于平坦的荒漠、戈壁灘地形,地表粗糙度小,風(fēng)切變較小,一般小于0.12。云貴高原地區(qū)屬于高山山嶺地形,東部部分山體相對平緩,西部山體陡峭,地表主要分為高山草甸和茂盛植被覆蓋兩類,大多情況下風(fēng)切變較小一般小于0.05,但30m-50m高度層易出現(xiàn)負(fù)切變現(xiàn)象,主要原因?yàn)樯襟w陡峭,低層加速效應(yīng),導(dǎo)致高低層風(fēng)速差異小,故形成較小切變,部分地區(qū)因低層加速明顯,導(dǎo)致某高度層出現(xiàn)負(fù)切變。另外,樹林、灌木等植被會引起低層切變很大、高層負(fù)切變現(xiàn)象,如下圖4、圖5所示?？傊?青海地區(qū)熱力穩(wěn)定度多不穩(wěn)定、地表粗糙度小,地形變化不大,故整個區(qū)域風(fēng)速隨高度變化不大,切變小;而云貴高原地區(qū)地形、地貌復(fù)雜,地表植被多樣化,風(fēng)速隨高度變化存在一定的規(guī)律性但又存在特殊性,分析時需全面考慮各種因素,現(xiàn)場考察尤為重要。三、機(jī)組安全載荷湍流強(qiáng)度代表10min內(nèi)風(fēng)速隨機(jī)變化幅度大小,影響風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷,是IEC61400-1風(fēng)電機(jī)組安全等級分級的重要參數(shù)之一。IEC61400-1-1999標(biāo)準(zhǔn)中,通過湍流強(qiáng)度特征值(平均湍流強(qiáng)度Iref+1*湍流標(biāo)準(zhǔn)差σ)作為衡量湍流強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。(一)強(qiáng)風(fēng)速段湍流特征值云貴高原地區(qū)湍流基本呈現(xiàn)兩種特征,見圖6,連綿平緩的高山草甸地形下,湍流較小,強(qiáng)風(fēng)速度段(>10m/s)平均湍流強(qiáng)度基本低于0.09,湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差σ在0.02-0.03之間,15m/s湍流強(qiáng)度特征值一般小于0.12,湍流很小;見圖7重疊連巒、陡峭、植被豐富的高山地形下,強(qiáng)風(fēng)速段湍流呈現(xiàn)“上翹”的特征,平均湍流一般在0.12-0.14之間,湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差σ在0.04-0.055之間,15m/s湍流強(qiáng)度特征值較大在0.16-0.18之間,特殊條件下,湍流甚至超過A類標(biāo)準(zhǔn)。青藏高原地區(qū)屬于平坦的戈壁灘,湍流很小,15m/s湍流強(qiáng)度特征值一般小于0.1,見圖8。(二)風(fēng)會加速作用下的機(jī)組設(shè)計注意事項(xiàng)廖明夫等在《風(fēng)力發(fā)電技術(shù)》中提出大氣湍流的兩個主因是風(fēng)切變和熱對流,風(fēng)切變受地形、地貌、粗糙度和熱力穩(wěn)定度影響;熱對流湍流是地面上、下層氣流溫度差引起的熱對流。通常情況下,上述兩個原因往往同時導(dǎo)致湍流的發(fā)生。地形改變風(fēng)切變規(guī)律,原則上山丘或山脊頂部風(fēng)會加速,見圖9,圓形平緩山包地形下,風(fēng)流附著地表層流,風(fēng)速隨高度增加而增大,上下對流不明顯,湍流小;而陡峭地形下,背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)湍流區(qū),湍流影響區(qū)域的范圍、大小、強(qiáng)度等取決于地形的坡度、彎度、地表粗糙度、風(fēng)速等。云貴高原地區(qū),很好的驗(yàn)證了上述理論結(jié)果,該地區(qū)湍流受地形、地貌、地表粗糙度影響大,表現(xiàn)不一,故在進(jìn)行測風(fēng)數(shù)據(jù)分析及機(jī)組設(shè)計排布時需慎重考慮以下幾點(diǎn):(1)測風(fēng)塔的代表性問題,測風(fēng)塔位置所體現(xiàn)的湍流、切變等特征能否代表整個風(fēng)電場,是否存在特殊性或局限性;(2)排布設(shè)計時應(yīng)盡量避開背風(fēng)坡區(qū)域,以降低湍流對機(jī)組載荷帶來的不利影響;(3)植被豐富或較高樹木的區(qū)域,應(yīng)考慮適當(dāng)提高風(fēng)電機(jī)組輪轂高度,增大葉尖離地距離,減少湍流影響。青海地區(qū)日夜溫差大,大氣不穩(wěn)定,易形成熱力對流,造成湍流日變化大,見圖10。四、高原地區(qū)風(fēng)向高度集中主風(fēng)能風(fēng)向特點(diǎn)云貴高原常年西南季風(fēng),西部風(fēng)能資源好于東部。我國南方大部分地區(qū)氣候受青藏高原影響較大,冬季西風(fēng)氣流遭阻擋,分為南北兩支,形成北脊南槽的環(huán)流形勢;夏季,西南季風(fēng)向北推進(jìn)時,受阻于青藏高原分為兩支,一支向西,另一支沿山脈走向,流向中國,擴(kuò)大西南季風(fēng)的影響范圍。故云貴地區(qū)風(fēng)向高度集中在SW、WSW,非常利于風(fēng)能資源的充分利用。圖11為云南地區(qū)主風(fēng)能風(fēng)向示意圖。青藏高原冬季為冷源,邊界層里常出現(xiàn)冷高壓,高原北部盛行西風(fēng),南部盛行東風(fēng);夏季相反,青藏高原為熱源,邊界層里多出現(xiàn)熱低壓,高原北部盛行東風(fēng),南部盛行偏西風(fēng)。圖12青海北部地區(qū)主風(fēng)能風(fēng)向示意圖。高原地區(qū)風(fēng)向共同特點(diǎn):(1)風(fēng)向高度集中,進(jìn)行微觀選址設(shè)計時,應(yīng)盡量加大平行于主風(fēng)能風(fēng)向間間距,適當(dāng)減小垂直于主風(fēng)能風(fēng)向機(jī)組間間距,尤其單列機(jī)組;(2)風(fēng)向高度集中,風(fēng)質(zhì)量好,偏航控制策略損失小,綜合折減系數(shù)高。五、風(fēng)險因素(一)云貴地區(qū)風(fēng)電場典型案例下圖13為云、貴、四川、青海等氣象基本站1971年-2000年年平均相對濕度分布圖,云南地區(qū)相對濕度范圍在60%-80%之間,滇南濕度大于滇北,這主要與西南季風(fēng)帶來的暖濕氣流相關(guān);貴州西部及四川中部濕度較大,相對濕度基本大于80%,四川西部相對濕度呈減小趨勢,范圍大概在50%-65%之間;青海省盆地地形相對濕度較小,一般小于30%,高原地帶相對濕度在50%-65%之間?？梢?云貴高原地區(qū)相對濕度大,年平均相對濕度在70%以上,尤其高原東部的貴州地區(qū)濕度基本在80%以上,易形成冰凍、凝露等現(xiàn)象。通過已運(yùn)行的貴州某風(fēng)電場實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù),見下圖14和圖15,云貴地區(qū)風(fēng)電場面臨以下幾個問題:(1)目前大多測風(fēng)塔測風(fēng)儀無加熱裝置,冰凍期數(shù)據(jù)基本無效,尚無客觀有效的方法進(jìn)行有效訂正,給風(fēng)能資源評估工作帶來一定的不確定性;(2)風(fēng)電機(jī)組艙頂測風(fēng)儀器易凍結(jié),導(dǎo)致機(jī)組控制系統(tǒng)失靈;(3)葉片結(jié)冰后,造成葉片翼型改變,機(jī)組出力明顯下降,同時影響葉輪的平衡,致使機(jī)組故障停機(jī),造成發(fā)電量損失;(4)結(jié)冰會影響機(jī)組載荷變化,增加部件疲勞損傷或倒塌,存在很大的安全性問題。故在云貴高海拔地區(qū)進(jìn)行風(fēng)能資源評估工作時,應(yīng)充分考慮冰凍因素并進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險評估,以保證機(jī)組的安全運(yùn)行。(二)實(shí)測風(fēng)速分析在風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行過程中,發(fā)現(xiàn)云南高海拔項(xiàng)目地區(qū)存在一種特殊的現(xiàn)象,即風(fēng)速在短時間內(nèi)突增或突減,根據(jù)風(fēng)速變化特點(diǎn),本報告簡稱該現(xiàn)象為“陣風(fēng)”,下圖16為云南某風(fēng)電場2月份運(yùn)行機(jī)組記錄到的“陣風(fēng)”出現(xiàn)時段分布圖,可見,在12:00-20:00時段出現(xiàn)比較集中,2月9日出現(xiàn)頻次最高;“陣風(fēng)”出現(xiàn)有一定的周期性,并非每日都會出現(xiàn),有一定的間歇期,應(yīng)該與天氣系統(tǒng)周期性變化相關(guān),后期可獲取更長序列數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。選取“陣風(fēng)”出現(xiàn)頻次較高的2月9日每7s間隔實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,見下圖17,紅色代表風(fēng)速每7s間隔風(fēng)速日變化曲線,藍(lán)色代表前后間隔風(fēng)速距平變化曲線,可見,0:00-10:00之間風(fēng)速相對小些,風(fēng)速瞬時變化小,而10:00-18:00期間,風(fēng)速較大,風(fēng)速突變明顯;風(fēng)速前后距平風(fēng)速差主要在1m/s-3m/s之間,最大達(dá)8m/s,風(fēng)速短時間內(nèi)變化大。風(fēng)速、風(fēng)向短時間內(nèi)的突變,會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組偏航頻繁,風(fēng)電場經(jīng)常出現(xiàn)尖峰出力現(xiàn)象,出力波動大,這對機(jī)組正常運(yùn)行及載荷帶來很大的不確定性,應(yīng)予以重視并采取控制風(fēng)險措施。而高原氣象很復(fù)雜,動力、熱力及特殊地形的多重作用,形成高、低空急流、西南渦等特殊的天氣系統(tǒng),要探究“陣風(fēng)”現(xiàn)象的成因則需要更深入、更全面、專業(yè)的研究,后期將對該區(qū)域通過測風(fēng)監(jiān)控、長序列運(yùn)行數(shù)據(jù)收集、天氣系統(tǒng)監(jiān)測等一系列手段深入研究,為機(jī)組研發(fā)設(shè)計及風(fēng)電場安全運(yùn)行提供更好的解決措施和方法。(三)機(jī)組自身的問題高海拔特殊氣候環(huán)境下,風(fēng)電機(jī)組面對低氣壓、高輻射、多雷暴等惡劣的自然環(huán)境條件,材料易老化、電氣設(shè)備的絕緣和散熱、防雷問題等對機(jī)組的安全運(yùn)行帶來很大的風(fēng)險和不確定性。除了根據(jù)高海拔氣候環(huán)境著重器件的選用,控制系統(tǒng)對機(jī)組設(shè)備工作環(huán)境的監(jiān)控與設(shè)備故障預(yù)診斷非常重要,同時設(shè)備長期運(yùn)行的可靠性和維護(hù)量尤為重要。地形、地貌特征本報告針對云貴高原和青海等風(fēng)電高速發(fā)展的高海拔地區(qū),分析了該地區(qū)風(fēng)速、風(fēng)向、湍流、切變等風(fēng)特性,總結(jié)了不同地形、地貌及氣候背景下高海拔地區(qū)風(fēng)特性的差異性和關(guān)聯(lián)性,同時通過已運(yùn)行風(fēng)電場的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),指出高海拔地區(qū)風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)行的主要風(fēng)險點(diǎn),結(jié)論如下:(1)云貴高原地區(qū),海拔差異大,70m高年平均風(fēng)速約在6m/s-10m/s之間,風(fēng)速差異大;青海地區(qū),地形為平坦的荒漠、戈壁灘,風(fēng)能資源分布較平均,差異不大,70m高年平均風(fēng)速一般在5m/s-7m/s之間,屬于低風(fēng)速區(qū)。(2)云貴高原地區(qū)山地地形、地貌復(fù)雜,地表植被多樣化,風(fēng)速隨高度變化存在一定的規(guī)律性但又存在特殊性,陡峭、平滑的高山草甸地形,風(fēng)切變較小一般小于0.05,高層易出現(xiàn)負(fù)切變,而植被豐富的山地地形,切變大,故分析評估時需全面考慮各種因素,現(xiàn)場考察尤為重要;青海地區(qū)熱力穩(wěn)定度多不穩(wěn)定、地表粗糙度小,地形變化不大,故整個區(qū)域風(fēng)速隨高度變化不大,切變小,一般小于0.12。(3)云貴高原地區(qū)湍流基本呈