不同风速推算方法的研究

不同风速推算方法的研究

摘 要： 高度的风速换算有不同的计算方法，选取4种不同风况下的测风数据，采用风廓线法、平均指数法、订正系数法和10m高幂率法四种方法，对各塔不同高度风速进行对比分析计算，发现风廓线法计算精度最高，适用性最好，平均指数法基本能够满足工程所需精度，适用性略差，后两种方法适用性较差，特别是10m高幂率法计算精度不能够满足工程要求。 关键词： 风速；风切变指数；风能资源评价 0 引言

在风电场设计中，风能资源的评估是一个非常重要的工作，其中拟建轮毂高度处风速的计算则是重中之重。风速评估的准确与否直接决定了风电场功率等级的评定、50年一遇风速计算等，进而影响机型的选择和发电量的评估，最终影响到风电场项目的经济性评价。因此，能够准确地评估风机处轮毂高度的风速，是件非常有意义的工作。

风速随高度变化，形成一个垂直风廓线，随水平的变化，则形成一个水平的风廓线。在风能资源评估工作中，我们比较关心风速随高度的变化情况，也就是垂直风切变。本文将重点讨论不同高度风速的计算，下文中所讲的风切变均为垂直风切变。

本文将采用指数关系对于风速的垂直变化情况进行论述分析。 1 风切变指数公式

在近地层中，风速随高度的变化显著。造成风在近地层中垂直变

化的原因有动力因素和热力因素，前者主要来源于地面的摩擦效应，即地面的粗糙度。后者主要表现为与近地层大气垂直稳定度的关系。当大气层结为中性时，湍流将完全依靠动力原因来发展，其计算公式为：

2 利用风切变指数计算风速的方法

利用风切变指数计算特定高度的风速，是非常普遍的方法。有许多人士进行了这方面的研究。朱瑞兆[1]通过对武汉146m铁塔测风数据统计结果分析计算，提出a=0.19较为合适，其他高度风速采用订正系数计算。观测高度是分段的，相对固定，为了计算某一个高度的风速，则可以利用该高度上下两层的风速观测值进行风切变指数的计算，从而反推该高度的风速。也有人通过分析计算，找出不同高度与10m高风速的倍数关系，相应高度的风速乘以相应的倍数即可；由于观测高度的不同，分段计算则会出现不同的风切变指数，为了避免出现几个不同的风切变指数，王有禄等[3]就采用建立了不同高度 和 两变量之间的一元回归方程，该相关方程的斜率就是测风塔的风切变指数；彭怀午等[4]对风切变进行了更进一步的研究，分别采用全部数据、去除3m/s以下风速数据、分速度段（15±0.5）m/s以及风廓线四种方法进行了风切变指数的对比计算，成果显示利用不同高度的年平均风速计算得到的总风切变指数，具有拟合精度高和反映年平均整体水平的特点。

本文将通过两个不同地域的典型测风塔数据对这些方法进行对比

分析和研究，以找出这些方法的优缺点。 3 数据选取

形成可利用风能资源原因主要有三种风：高空风、地形风、海陆风和台风。为了充分论证各种方法适用的条件，本文选取了四个典型地区的所利用数据为河北唐山、吉林松原、广东湛江和新疆达坂城，共四座测风塔数据，编号依次为1#，2#，3#和4#，测风塔基本情况见表1。

由图1可以看出，1#测风塔70m高度以上风速变化较小，仅为0.2m/s。各高度风速成阶梯状下降，80m高风速较10m高高约2.4m/s。2#测风塔85m高度以上风速变化较小，相差仅为0.1m/s。100m高处的风速比30m高高约1.7m/s；3#测风塔各高度的年平均风速比其他塔高处较多，30m以上风速变化较小，仅为0.7m/s。从测风塔顶层到下层风速变化约1.8m/s；4#测风塔出现了上层风速低于下层风速现象，可以看出60m高度的风速最高，该高度之上的风速反而有所下降，下降约0.1m/s。60m高度的平均风速较10m高度的风速高约1m/s。

本文选取这四种不同风况下的测风数据，接下来将对不同的计算方法进行验证分析。 4 计算方法介绍

为了推求不同高度的风速，本文选取了四种不同的方法进行计算。下面对其分别进行介绍：第一种方法，利用风廓线拟合，得到拟合的幂率曲线，得到整个测风高度的风切变指数。利用风切变曲线，

推求各高度的风速，分析其计算精度；第二种方法，利用不同高度 和

两变量之间关系，建立一个元回归方程，该相关方程的斜率就是测风区间的风切变指数。利用该指数反求各测风高度的风速，分析其计算精度。利用该方法计算某个高度的风速，也可以采用两种方式，一种由上层风速推求，另一种下层风速推求，两种方法对应的方法依次为2-1和2-2；第三种方法，选取风切变指数为0.19，采用订正系数的方法计算其他各高度的风速，各高度的订正系数，见参考文献1，这里不再一一列出；第四种方法，测风塔1，3和4地处海岸和戈壁，下垫面粗超度较低，采用规范参考的风切变指数0.12，测风塔2位于树林草原区域，地面粗超度较大，近地层风速受其影响较大，风切变指数采用0.16，利用各高度风速与10m高度风速的幂率关系进行推求，公式为 。 5 不同方法的计算结果对比

1#测风塔位于渤海海岸，风的成因主要是大陆季风和海陆风共同的作用，下垫面均为滩涂虾池，近地层空气摩擦阻力较小，因此分层风速变化较小。风廓线方法计算该塔的风切变指数为0.212，拟合的指数方程，能够较精确地计算每层的风速。50m高度风速差值为0.03，最小，最大为30m高度，差值为0.25。方法二，平均指数法计算该塔的风切变指数为0.126。两种方式计算的结果有这样一个规律：由上层风速推算下层风速，计算值偏大，反之，计算值偏小，同时两种方式计算中间层风速的偏差明显比上下侧的偏差

小，具体数值见表2。第三种方法计算结果对于50m高度风速比较接近，相对于其他高度要准确较多，偏差值仅为0.03，而80m高度的偏差为0.28。方法四计算结果较清楚地表明高度越越高，计算偏差越大，80m处的偏差接近2m/s。

2#测风塔所处蒙古东部松嫩平原，地形开阔平坦，下垫面植被较丰富，粗糙度较大，下层风速受其阻力影响明显。风廓线方法计算该塔的风切变指数为0.227，其指数方程拟合结果也较好，85m处的偏差为0.18m/s，其他高度均在0.1m/s以下。方法二的计算结果与1#测风塔类似，上层风速推算下层风速结果偏大，反之，偏小。风速偏差规律有所不同，上层推求下层风速情况下，下层的计算偏差大于上层，30m高度，偏差为0.69m/s，85m高度，偏差为0.12m/s，而下层推算上层风速时，偏差较前一方式减少很多。方法三计算的精度一般，50m高度偏差约为0.1m/s，100m高度为0.25m/s。第四种方法计算的精度就非常不理想，30m高度风速差值为1.06m/s，100m高度竟达3.21m/s。

达坂城是著名的风资源丰富地区，由于峡谷地形作用，常年主导风向为西北-东南向，风速较高，风能底蕴很好。该地区植被稀疏，大部分为戈壁荒滩，摩擦阻力较小，加之风速较大，导致近地层风速变化较小，风廓线拟合的3#测风塔风切变指数为0.104，平均指数法计算值为0.125。方法一计算的风速值精度很高，各高度偏差值均在0.06m/s以下。方法二计算结果所呈现的规律与其他三个塔有很大的不同。上层推算下层，风速反而偏大，下层推算上层，风

速反而偏小。风速偏差值是中间层小于两侧，并且两者相差较小。方法三计算结果出现了较大的偏差，并且随高度的增加而增加，30m高度为0.86m/s，70m高度竟达1.97m/s。第四种方法还是存在同样问题，计算结果偏差较大，70m高度偏差为2.77m/s。

4#测风塔位于湛江东海岸，风形成的主要原因是大气低纬度环流和海陆风。海岸边基本为虾池和鱼塘，这些地物对于低层风风速影响较小，风廓线拟合的风切变指数为0.087，平均指数法计算的风切变为0.092。由于出现了高层风速低于低层风速现象，风廓线对于高层风速也不能很好地拟合，但是总体计算结果还是令人满意，偏差最大值也仅为0.14m/s，出现在60m高度。方法二计算结果同1#和2#测风塔规律基本一致，只是风速的偏差在中间层较小，两侧略大。方法三和方法四计算结果均偏大较多，偏差都在1.1m/s以上。 6 结语

本文选取了4座较典型的风况测风塔数据，分别用风廓线法、平均指数法、订正系数法和10m高度幂率关系法四种方法对各塔不同高度风速进行了分析计算。综合分析来看，风廓线法适用性最优，四种风况下计算精度都比较令人满意，最大偏差为0.25m/s，最小偏差为0m/s，同时高层风速计算精度要高于低层。如果出现负切变的情况下，该方法计算精度也能满足工程要求；方法二，即平均指数法，无论是上层风速推算下层风速，还是反推，都有中间层精度

高于两侧的规律，特别是在2#测风塔风况下。该方法对于1#测风塔各高度计算精度显示，高层精度要明显优于低层。对于4#测风塔计算精度基本一致，没有大的差异；方法三，即订正系数法，对于前两种测风塔风速计算精度较好，均低于0.5m/s，而对于后两座测风塔计算精度就比较差，大部分都在1.0m/s以上；方法四，10m高度幂率关系法，对于每座塔的计算精度都非常差，偏差基本都在1.0m/s以上，最大偏差出现在2#测风塔100m高度，偏差值为3.21m/s，远远高于工程所需的精度要求。

总之，方法一适用性最优，计算精度度最高；方法二计算精度略差，计算中间层的精度较好，基本能够满足工程要求；方法三对于1#和2#测风塔计算精度还基本能够满足工程的要求，但是对于3#和4#测风塔基本不具有适用性；方法四对于各塔计算精度均不能够满足工程要求。 参考文献：

[1]朱瑞兆、薛桁，我国风能资源，太阳能学报，1981，2（2）：117-124.

[2]袁春红、薛桁、杨振斌，建筑风荷载风压计算中的若干问题，气象，2002，28（1）：39-42.

[3]王有禄、李淑华、宋飞，风电场测风数据的验证和处理方法，电力勘测设计，2009，2（1）：64-66.

[4]彭怀午、冯长青、包紫光，风资源评价中风切变指数的研究，可再生能源，2010，28（1）：21-23.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/atvr.html