基于Windographer及WT软件对风电工程项目实例的应用和分析

尉正斌 高 勇 郑伟呈

（特变电工新疆新能源股份有限公司，陕西 西安 610110）

0 引言

风能作为清洁可再生能源，高效利用风能对我国的节能减排具有重要作用。在“双碳”政策背景下，大力发展新能源产业具有重要的历史意义[1]。风电在各种新能源中技术较为成熟，能源利用效率较高，因此风力发电飞速发展。在风电场建设前期，风电场区风资源的准确评估影响项目建设可行性判断，在风资源评估中的较大误差可能直接颠覆项目建设。因此，准确判断风电场风能资源对风电场开发建设具有重要的意义。

1 主要参数

1.1 风速

在空间特定点气体微团经过该点的移动速度，在工程建设中，主要分析的风速包括月平均风速、年平均风速、最大风速以及极大风速等。

1.2 风频

指风向在某一方向发生的次数，为风速风频分布，在数据分析中常用柱状图表示。

1.3 风切变指数

在近地大气边界层中，由于地面粗糙物引起的摩擦效应，表现在近地层中风速随着高度变化而变化的关系。根据普朗特经验公式推导出的幂指数定律如公式（1）所示。

式中：Vx为Zx高度处风速；V0为Z0高度处的风速；α为风切变指数。

1.4 湍流强度

湍流强度是表征流体在各方向的速度分量的变化的不规则性，在流体力学里流体湍流运动的研究中，湍流强度一般为1%~10%，如公式（2）所示。

1.5 极大风速

极大风速为瞬时风速的最大值。

1.6 风能密度

风能密度是在设定时间段内，垂直于风向的单位面积中风所具备的能量。

1.7 风向

在实际工程中，将风向按照固定间隔为22.5°的方位统计风频，主要工具为风向玫瑰图。

2 Windographer 软件介绍

2.1 软件介绍

Windographer 是一款可视化软件，在风力资源分析过程中，可以自动识别测量高度、风速、标准偏差、垂直风速、风向、温度、压力和相对湿度等数据。Windographer 可以读取的数据格式包括NRG Systems、SecondWind、Ammonit、Campbell、Scientifican 和 Wilmers 等数据。

2.2 主要功能

2.2.1 速度

自动确定数据结构，分类及分层分析，识别并自动计算平均风速、最大风速、风速标准差及风能计算。

2.2.2 合并文件

在数据分析的过程中，附加过程将数据从一个或多个数据文件添加到一个现有的数据集。可以使用它将数据添加到现有数据列中，或添加新的数据列。

2.2.3 数据识别

Windographer 自动标识列包括风速、标准差、垂直风速、方向、温度、压力以及湿度数据。它可以自动识别测量高度，并为每个数据列分配有意义的名称和颜色。可以确认或修改它的任何决定。

3 工程实例分析

以国内某风场前期测风塔数据为基础，采用Windographer软件对测风数据的完整性、合理性、有效性及相关性进行分析。

3.1 风场所在区域风资源长期数据分析

在工程应用中，对风电场所在区域长期风速进行分析是非常重要的。风电场的年平均风速具有年际变化特征，如果采用大风年测风数据进行机组选型，机组选型会相对保守，如果采用小风年数据进行选型，就会带来冒进和风险，通常在测风周期大于1 年时，采用滑动平均法选取代表年，原则是尽量保证数据的原始性，减少数据修正带来的误差。笔者对近20 年平均风速进行分析，近20 年的平均风速为4.69m/s、近10 年的平均风速为4.68m/s，近5 年的平均风速为4.70m/s，通过分析可知，在该区域风速的稳定性较好，年平均风速波动较小，因此，合理选取代表年对发电量计算具有重要的作用，长期年平均风速数据统计见表1。

表1 长期年平均风速数据统计表

3.2 测风塔数据分析

表2 为测风塔不同高度层的实测平均数据，在120m 高度层年平均风速为4.864m/s，风功率密度为153W·m-2；100m高度年平均风速为4.284m/s，风功率密度为117W·m-2，120m和100m 高度层平均风速相差0.436m/s，根据公式（1）其风切变指数0.266，说明抬升塔筒高度可以明显增加发电量。

表2 测风塔不同高度风速及风功率密度

图1 年平均风速直方图

3.2.1 测风数据完整性分析

评估风电场场区测风数据代表性及数据完整率，测风周期不小于1 周年。在测风塔数据处理前，需要对原始数据合理性进行初步判断，对数据文件残缺、数据重复的可以提前处理，数据完整率大于90%。该项目在轮毂高度位置的数据完整率99.45%，满足数据完整性的要求。

3.2.2 数据合理性分析

在数据合理性判断前，需要在软件里Flag 里设置初始规则设置，规则中有规定全风速、风向通道的，也有基于单/双通道制定的规则，使用国标标准设置的规则标记方式为low quality（低质量的），针对全风速、风向通道的设置为lnvalid（无效的，例如风速＞40 m/s 等），将疑似冰冻的标记为Icing（冰冻）。冰冻标记风速规则：36 个Time（每10min）中，风速变化值＜0.5 m/s，风速SD＜0.1（风速的变化＜0.1）（在连续6 h 内风速数值均小于0.5 且风速SD 值＜0.1，并且风速的变化值小于0.1，这样表示在连续6 h 内风速小于0.5且无变化，风速计的最小值为0.5）；冰冻标记风向规则：6个Time 中，风向SD＜0.1，风向的变化＜0.1（在连续1 h 内风向SD 值＜0.1，并且风向的变化值小于0.1，这样表示在连续1 h 内风向无变化，可视为冰冻）[2-5]。该项目中，在轮毂高度位数据合理性检验结果见表3。

表3 不合理数据统计

该项目场址位于平原地区，地形平坦，测风塔运行稳定性较好，侧风数据质量较高。

3.2.3 相关性检验

在该项目中，经过统计，在50 m~100 m 高度数据得相关性系数R2在0.8 以上，数据质量高，相关性好。

对测风数据进行相关性、合理性及完整性进行分析，数据完整率达到99.45%，大于90%，完整性好；50 m~100 m高度数据相关性R2在0.8 以上，相关性良好，数据均在合理范围内，测风数据质量高，为风电场发电量准确计算提供数据保障。

3.3 数据处理

3.3.1 不合理数据筛选

通过以上合理性判断设置，点击数据筛选按钮后，软件自动筛选并标记不合理数据，当数据需要逐点查看时，在Flag 里面打开数据界面进行查看并手动标记即可，然后在Revise 界面里删除标记数据。

3.3.2 缺测数据及不合理数据插补

如果缺少数据数，就采用的方法补充数据。测风数据完整率=（应测数目-缺测数目-无效数据数目）/应测数目，数据完整率应在95%以上，不能小于90%。通过以上分析可以看出，该项目的数据完整率为98，高于95%。数据的完整率较好。且数据完整率达到98%以上，所以不处理。

3.4 风速及风能分析

如图2 所示，根据处理后的数据进行分析，该地区风速频率主要集中在2 m/s~9 m/s，风能频率主要集中在5 m/s~13 m/s，风速主要集中在低风速段，风电场风机选型推荐为单位千瓦扫风面积大的风机。

图2 风能风向频率

在轮毂高度处，测风塔平均风速为5.48 m/s，平均风能密度为206W/m2，如图3 所示主风向为WSW，次风向为N，主风能方向主要集中在正北方向（N），风能方向相对集中，在主N 方向风能密度出现频率为26.4%。

图3 风向风能玫瑰图

图4 为风场区风速及风功率年变化图，该项目所在地全年内5 月份风速较大，在7—9 月风速相对较小，全年春夏季风速大，冬秋略小。

图4 风速风能年变化图

3.5 风切变分析

在大气边界层中，平均风速随高度发生变化，其变化规律称为风切变；切变指数表示风速在垂直于风向平面内的变化，其大小反映风速随高度增加的快慢，切变的大小取决于测风塔位置的地表粗糙度和大气的稳定程度。该风电场切变值计算结果见表4。

表5 测风塔轮毂高度50 年一遇（10min）最大风速（Vref50）

利用幂指数函数对测风塔风速随高度变化的规律进行拟合，该项目场址所在地综合切变为0.467。

3.6 湍流强度分析

湍流强度是描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度，是风速、风向及其垂直分量迅速扰动或不规律性，是重要的风况特征。风电场湍流强度非常重要，其对风力发电机组性能有不利的影响，主要是减少输出功率，还可能引起极端载荷，最终削弱和破坏风力发电机组。

根据风电场测风塔各测风高度测得10 min 风速标准偏差和10 min 平均风速，可以计算得到各测风高度处10 min湍流强度，10 min 湍流强度如公式（3）所示[1]。

式中：σ为10 min 风速标准偏差，m/s；V为10min 平均风速，m/s。

根据2 座测风塔实测数据分析，测风塔各高度的湍流强度如图5 所示。

图5 测风塔轮毂高度的湍流曲线

通过图5，可以判断该风电场的湍流较小，同时，随着高等增加，湍流强度降低。该项目所在区域适合安装湍流等级为IEC C 类及以上等级的风电机组。

3.7 50年一遇（10min）极大风速

在软件分析部分，有极限风速分析模块，软件根据测风数据自动统计计算，可以得到欧洲标准下的极限风速统计值（极值函数Exact、Gumbel（耿贝尔）、Davenport（达文波特））。根据欧洲标准Ⅱ[1]可知，当威布尔参数K≥1.77 时，也可以用5 倍平均风速法计算。

由以上分析可知，风电场轮毂高度50 年一遇最大风速分别为27.75 m/s，换算到标准空气密度下为27.54 m/s。综上所述，该风电场50 年一遇最大风速为27.54 m/s。因此可以初步判断该风电场50 年一遇最大风速属于IEC61400-1 标准III 类。

3.8 风资源综合评价

风资源综合评价如下：1）该风电场的空气密度为1.22 kg/m3。2）测风塔拟合切变为0.476，项目切变较大。3）场区内测风塔主风向为N、WSW，主风能方向为N，主风能方向为NW。主风能方向相对集中。4）风电场的湍流较小，同时随着高等增加，湍流强度降低。该项目所在区域适合安装湍流等级为IEC C 类及以上等级的风电机组。5）风电场轮毂高度50 年一遇最大风速分别为27.45 m/s，因此可以初步判断该风电场50 年一遇最大风速属于IEC61400-1 标准III 类，适用III 类风机。风资源综合评估为风力机选型提供依据，是机组选型重要前提，综上分析，初步判断场区适宜IECIII C 类以上等级风力发电机组。

4 风电机组排布方案

4.1 风电机组选型及布置

风机选型要从技术、经济和施工等多方面综合考虑，从发电量、度电成本、投资回报率和内部收益等方面考虑，选定5.0 MW 机组进行布置，50 MW 项目容量，正选点位10个，备选1 个。具体布局如图6 所示。

图6 单机容量为5.0 机组布置方案

4.2 WT 软件参数设置

该工程采用法国美迪的Meteodyn WT 进行的发电量计算，相关模型参数见表6。

表6 Meteodyn WT 计算模型参数表

法国美迪的Meteodyn WT 软件采用计算流体力学（CFD）对工程实际项目进行自动测算，该软件可以对中尺度场区通过增大水平及垂直分辨率达到降尺度模拟计算，得到整个场区的流场状态，可有效降低由于场区过大或地形复杂带来的发电量评估的不确定性。在WT 软件中载入风场区地形及粗糙度数据，通过定义绘图区域及测风点进行定向模拟计算,该方法可以修正地形过度平滑导致的误差，根据场区模拟计算结果（湍流强度、入流角、风加速因数）也可选择风电场中最具代表性的位置来设立测风塔。该工程采用WT 软件对风电场发电量进行模拟计算，在定向计算完成后进行综合计算，综合计算需要输入湍流校正、空气密度、海拔等参数，可根据多塔计算结果互推进行模型验证，该方法可以准确的计算风电场发电量。

在WT 进行项目发电量计算完成后，会输出电量表，主要从威布尔系数、尾流效应折减、风切变及发电量等方面综合分析，多方位且准确地评估每个机位点发电量情况，极限风速及湍流造成的折减，对风机安全性布置及发电量优化提升具有重要的参考价值。

5 结论

在风电项目前期阶段，测风数据的精确分析对项目可行性判断、风机选型、风电场机组合理性布置及经济性评具有重要的意义。在数据分析过程中，要充分考虑数据合理性及相关性；采用Windographer 软件可以对风能各参数进行准确地计算，在数据处理过程中，该软件具有更高的适用性，采用WT 软件对风电场进行每个机位点进行分析，该文采用Windographer 软件加WT 软件对风电场风资源评估及发电量计算方法，对后期风电项目方案设计优化具有重要的参考价值。