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    浅谈风数据处理中应用风切外推与塔影效应的处理

    浏览次数:476来源:中国风电能源网编辑:李锴时间:2017-05-23
    前言:在风资源评估中,我们通常整理出完整一年的轮毅高度处风速数据用于计算发电量,风速值的准确性直接关系到风能方向频率、风功率密度等级评定等问题。同时,随着风力机的大型化发展趋势,风力机塔架越高、叶片半径越长,风切变和塔影效应对风力机的影响也越显著。为此深入分析风切变与塔影效应可有助于提高资源评估的准确性以及选择合适的风机以便捕捉最大风能和改善风机工作性能。

    风切变:风切变指风速风向随垂直高度的变化,通常情况下表现为风速随高度增加而增加,风向在柯氏力作用下发生偏转。在某些复杂的山区地形或大气层结不稳定时会出现负切变。造成切变的主要原因是由于地面摩擦导致的动力因素和大气斜压性导致的热力因素。

    图1

    图1,平面极坐标系内表示风随高度变化和各层垂直风切变的速度矢端图。

    在日常工作中,我们根据不同高度层的风速值计算风切变指数,再通过相邻高度层的风切变指数或综合切变指数来推算得到轮毂高度处的风速值,常采用的指数模型为:

    风切变指数对于风电场选择不同轮毂高度的机型具有重要意义。在复杂地形风电项目中需格外注意负切变现象,在出现负切变的地区,风电机组轮毂高度不宜设置过高。风切变指数在不同扇区以及不同季节中特征不同(如图2)。

    图2

    图2,某地区测风塔为例,16扇区不同月份风切变指数

    传统的单一指数模型计算方法(即对不同高度层风速进行相关性分析得到风切变指数,在通过设定切变指数、温度梯度进行外推)存在物理背景上的缺陷与不合理性。为更精确模拟风的切变,我们还可选择不同时间步长、不同扇区、不同月份等进行分别计算与整合,得到更为符合实际情况,体现风电场周围气象要素季节性变化特征的计算结果。此外,由于近地面层风速在某些情况下可能会受遮挡,当10m、30m风速对综合风切变指数影响较大时,我们在推算中通常不予以考虑,以便于提高较高层次风速推算的准确性。
     

    塔影效应:塔影效应指风遇到塔架遮挡后改变大小和方向的变化,本质上是一个周期性变化过程。在安装风速仪时,可在同一高度上安装两风速仪得到两个通道的风速序列以尽可能消除塔影效应得到更加贴近自然状态下的风速值。

    现阶段常用做法为:由于来自某方向的风受遮挡,风速仪测得数值比实际偏小,用两通道同一时刻所得测量值做比(如图3a),删除较小值保留较大值,使同一高度层上同一时刻两测风塔风速比值接近于1(如图3b),则可在一定程度上减小塔影效应对数据质量的影响。

    图3-a

    图3-b

    图3 通道A与通道B风速比值,(a)处理前,(b)处理后。

    在通过同塔插补删除后的数据,即可得到消除塔影效应的数据。如图4。

    图4

    图4 插补后通道A与通道B风速比值。
     

    同时,对比前后处理塔影效应时AB两通道相关性可发现其相关性显著增加(如图5)。

    图5-a

    图5-b

    图5 通道A与通道B风速相关性,(a)处理前,(b)处理后。

    最后,由对比分析可知,经过处理后的AB两通道风速值增加,两通道同一时刻风速差减小,相关性变好。这符合自然状态下不受塔架干扰的风速值特征。推荐在数据处理中重视对于塔影效应相关数据的订正。

    结束语:对于风资源的评估工作而言,前期的数据观测、收集、整理每一步都至关重要,我们应尽最大努力还原数据的真实性,做有效合格的资源评估工作。

     

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