高原山地风能资源评估——以云南通海五垴山风电场为例

Evaluation of Wind Energy Resources in Plateau Mountainous—A Case Study of Wunao Mountain Wind Farm in Tonghai, Yunnan Province

摘要: 风能资源是重要的可再生清洁能源，风能资源评估是风电场建设的重要环节和前提条件。利用云南通海五垴山风电场的2个测风塔资料，分析了五垴山风电场各高度层的风速、风功率密度的月际和日变化、风速和风能频率分布、风向及风能玫瑰图、风切变指数、湍流强度、风况参数等。结果表明，五垴山风电场1~4月风速、风功率密度较大，7~11月风速、风功率密度较小，具有明显的两季风特征。五垴山风电场70 m高度有效风速频率分布集中在3.5 m/s~13.4 m/s之间，有效风速时间集中在7750~7990 h之间。风能密度方向集中在W~SSW之间，有利于减少风机偏航操作。五垴山风电场湍流强度属于中等。五垴山风电场2个测风塔70 m高度风功率密度分别为265 W/m²和160 W/m²，属风能资源丰富区和次丰富区。五垴山风电场在海拔2250 m以上高度范围内具备一定的工程开发价值。五垴山风电场雷暴发生频率较高，应注意防范雷电灾害的影响。通过五垴山风电场风能资源评估，佐证了云南复杂地形条件下，山地风电场选址与风能资源评估的特殊性和多样性，对山地风能资源评估有较好的示范作用。

Abstract: Wind energy resource is an important renewable and clean energy, and wind energy resource evaluation is an important link and prerequisite for wind farm construction. Based on the data of two wind measuring towers in Wunao Mountain wind farm in Tonghai, Yunnan Province, the intermonthly and diurnal variations of wind speed, wind power density, frequency distribution of wind speed and wind energy, wind direction and wind rose chart, wind shear index, turbulence intensity and wind condition parameters of Wunao Mountain wind farm at different levels were analyzed. The results show that the wind speed and power density of Wunao Mountain wind farm are larger from January to April, and smaller from July to November, with obvious two-seasonal winds variation characteristics. The frequency distribution of effective wind speed at 70 m height in Wunao Mountain wind farm is concentrated between 3.5 m/s and 13.4 m/s, and the effective wind speed time is concentrated between 7750 and 7990 h. The wind energy density direction is concentrated between W and SSW, which is conducive to reducing the fan yaw operation. The turbulence intensity of Wunao Mountain wind farm is medium. The wind power density of the two wind measurement towers at 70 m height is 265 W/m² and 160 W/m² respectively, belonging to the rich and sub-rich areas of wind energy resources. Wunao Mountain wind power farm has certain engineering development value in the altitude range above 2250 m. The frequency of thunderstorms in Wunao Mountain wind farm is high, so attention should be paid to preventing the impact of lightning disasters. Through the wind energy resource evaluation of Wunao Mountain wind farm, the particularity and diversity of the site selection and wind energy resource evaluation of mountain wind power farm in Yunnan province under complex terrain conditions are confirmed, and it has a good demonstration role for the evaluation of mountain wind energy resources.

1. 引言

风能资源是重要的可再生清洁能源，在当今全球范围正面临着化石能源濒临枯竭、环境污染问题日趋严重、应对气候变化的压力不断加剧的背景下，发展风能、太阳能等可再生清洁能源已成为国家能源发展战略的重点领域。在2003年全国风电开发初期，云南曾被业内认定为是一个资源禀赋差、开发成本高的区域，即四类资源区[1]。然而，云南却是一个风能资源被严重低估的区域，截至2015年底，云南已建成风力发电站总装机容量约6300 MW，风电装机容量名列长江以南各省(市、区)首位[2]。一般来讲，风能资源的优劣，与大气环流和地理环境密切相关。云南地处中国低纬高原地区，地形地貌复杂，山地面积约占94%，平均海拔2000 m左右，季风气候与立体气候特征明显，风能资源丰富[3] [4]。气象科技工作者经过多年的探索与研究，发现云南风能资源具有蕴藏量丰富、区域分布明显、随海拔高度变化大、全年两季风(大风期与小风期)特征显著、主导风向稳定、不利气象条件少等诸多特点[5]-[11]。风能资源评估是风电场建设的重要环节和前提条件，受成风条件、地形地貌等因素的影响，山地高海拔地区的风况与坝区(盆地)有着较大的差别，因此，与全国其他地区相比，云南山地风电场选址和风能资源评估有其特殊性[12]-[17]。

风电场风能资源评估工作通常按下列步骤进行。首先是在拟建风电场场址上建立测风塔，开展风能资源测量，获得实地观测资料；其次是对已获得的观测数据进行检验、插补、订正处理，以获得具有气候代表性的风况数据；再次是利用订正后的数据进行风况参数计算，分析风能资源的各个指标和参数；最后是对风电场风能资源开发条件进行综合评估，编制出风能资源评价报告。云南风电场风能资源评估工作主要依据国家和行业标准规范进行[18]-[20]。但由于云南地处低纬高原，气候环境特殊，风电场多处于高海拔山脊地带，地形复杂，风能资源分布及变化规律与平原、沿海地区差异较大。在具体实践过程中，国标、行标出现了一些不适用的情况。气象科技工作者对其进行了补充完善和细化，使之更符合云南山地风电场选址、风能资源测量、观测数据检验订正、风能资源评估的实际[21]-[23]。

本文以处于滇中高原山区的通海五垴山风电场为例，阐述了高原复杂山地风能资源的评估流程与风况参数计算，对风能资源进行了定量评价，以期对云南山地风能资源评估起到示范作用。

2. 数据处理

2.1. 数据来源

通海五垴山风电场位于云南省玉溪市通海县里山彝族乡五垴山村附近，处于通海东部的高山山脊上。场址地理坐标介于24˚5'~24˚9'N，102˚50'~102˚52'E之间，海拔高程为2000 m~2400 m。风电场筹建前期设有2个测风塔进行观测，评估数据取自五垴山2个测风塔。五垴山风电场场址原貌见图1，多为荒山丘陵、缓坡灌木地貌。五垴山风电场测风工作始于2011年6月，共2个测风塔(编号为7116、7208)，采用美国NRG SYSTEMS公司测风设备，塔架均为桁架。7116号风塔塔高70 m，7208号塔高85 m，观测要素为风速、风向、气温、气压，测风塔基本情况见表1。根据风资源评估规范[21] [22]，选取2011年7月1日00:00~2012年6月30日23:50，作为一个完整年评估的目标时段。

Table 1. Basic situation of wind tower in Wunao Mountain wind farm in Tonghai county

表1. 通海五垴山风电场测风塔基本情况

测风塔名称		7116	7208
海拔高度(m)		2324	2222
地理坐标	纬度	24˚08.240'N	24˚05.511'N
	经度	102˚51.823'E	102˚51.118'E
记录通道 高度(m)	风速	70/60/50/30	85/70/50/30
	风向	70/30	85/50
	气温	10	10
	气压	10	10
记录时间	起	2011-7	2011-6
	迄	至今	至今
采用记录时间	起	2011-7-1	2011-7-1
	迄	2012-6-30	2012-6-30

依据国家和行业标准[18]-[20]，对通海五垴山风电场测风数据进行检验(具体过程从略)，包括测风数据完整性、取值范围、变化趋势、不同高度关系和相关性检验。数据检验结果表明，2011年7月1日00:00~2012年6月30日23:50之间，7116号测风塔有效数据完整率100%，7208号测风塔有效数据完整率91.5%；7116、7208号测风塔各个通道观测数据均在合理取值范围之内；7116、7208号测风塔10分钟数据、小时数据未出现违反趋势检验的判别标准，变化趋势合理；7116、7208号测风塔小时数据未出现违反关系检验的判别标准，各高度风速或风向的差值在给定的合理范围之内；7116、7208号测风塔各测风高度10分钟平均风速的相关性较高(相关系数在0.93以上)，2个测风塔之间相对应高度10分钟平均风速的相关性较好(相关系数在0.68以上)。

2.2. 数据订正

对7208号测风塔的缺测记录，采用相关技术规范[20]进行插补处理，得到各高度缺测时段内的逐10分钟风速数据。经过数据的插补处理，得到通海五垴山风电场7116、7208号测风塔2011年7月1日00:00~2012年6月30日23:50连续一年完整的逐10分钟测风资料。仅用1年的测风资料，并不能代表风电场的长期平均状况。若将这些测风数据直接用于工程设计，将会影响工程设计的客观性、准确性。根据地方技术标准[22]，必须根据该风电场附近周边气象站(参证站)的长期观测资料，将验证后的风电场测风数据订正为一套能反映风电场长期平均状况的代表性数据，即风电场代表年的测风数据。

通海五垴山风电场附近周边有通海、玉溪、江川、华宁、泸西、建水等6个气象站，其中玉溪、通海、华宁气象站分别于2002年、2005年、2010年进行了迁站，且迁站前后环境差异大、风速变化较大，建水气象站观测环境受到严重影响，故宜选取江川、泸西作为候选参证站。将江川、泸西气象站的风速序列分别与7116号测风塔相应时段30 m、70 m，7208号测风塔相应时段50 m、85 m高度的小时平均风速系列进行小时平均风向分扇区相关分析和小时平均风速全范围相关分析(略)，最终选取泸西气象站作为五垴山风电场7116、7208号测风塔数据订正的参证站。因气象站成风条件较为单一，高原山地风电场成风条件复杂，各个季节成风条件的差异较大，各月应有不同的订正幅度，才较符合实际风况。根据云南已建山地风电场的实践经验，采用全范围订正方法进行处理。

全范围订正方法：① 作风电场测风塔与对应年份泸西气象站的风速一元一次回归方程，其中x序列为泸西气象站逐小时风速序列，y序列为风电场各测风塔逐小时风速序列；② 将泸西气象站逐月平均风速气候值，以及与测风塔观测同期的泸西气象站逐月平均风速，分别带入一元一次回归方程，求出两个风速值，并求出这两个风速值的代数差值，即订正量；③ 将测风塔测风记录的每个10分钟平均风速都加上对应的订正量，即可获得订正后的十分钟平均风速资料，而风向资料则沿用经过检查、验证后的风向记录的10分钟平均风向。

3. 参数计算

3.1. 空气密度

采用国家标准[19]推荐的空气密度计算公式：

$\rho =\frac{P}{RT}$ (1)

式(1)中，ρ为空气密度(kg/m³)；P为年平均气压(Pa)；R为气体常数(287 J/kg∙k)；T为年平均气温(开氏温标)。根据测风实际情况，用7116、7208号测风塔实测的年平均气温、气压数据，可计算出2个测风塔空气密度分别为0.936、0.947 kg/m³。

3.2. 风功率密度

设定时段内的平均风功率密度的计算表达式如下：

$D_{WP}=\frac{1}{2n}{\displaystyle \sum }_{i=1}^n\left(\rho \cdot v_i^3\right)$ (2)

式(2)中，D_WP为平均风功率密度(W/m²)；n为在设定时段内的记录数；ρ为空气密度(kg/m³)；ν_i³为第i记录的风速(m/s)值的立方。

3.3. 风能密度

风能密度的计算表达式为：

$D_{WE}=\frac{1}{2}{\displaystyle \sum }_{i=1}^n\left(\rho \right)\left(v_i^3\right)t_i$ (3)

式(3)中，D_wE为风能密度(W∙h/m²)；n为风速区间数目；ρ为空气密度(kg/m³)；ν_i³为第i风速区间的风速(m/s)值的立方；t_i为第i个风速区间的风速发生的时间。

3.4. 风切变指数

风切变指数可描述风矢量在垂直方向上的空间变化情况。风切变指数σ由下式计算：

$\alpha =\frac{\ln \left(v_2/v_1\right)}{\ln \left(z_2/z_1\right)}$ (4)

式(4)中，v_2、v₁为某两个高度的实测风速值(m/s)；z_2、z₁为与v_2、v₁对应的高度(m)。

3.5. 湍流强度

湍流强度用于度量相对于风速平均值而起伏的湍流的强弱，10分钟湍流强度I按下式计算：

$I=\frac{\sigma }{v}$ (5)

式(5)中，σ为10分钟风速标准偏差(m/s)；v为10分钟平均风速(m/s)。

4. 结果与分析

4.1. 风速和风功率密度的年内变化

(a) (b)

Figure 1. The annual variation of wind speed (a) and wind power density (b) at different heights of the No. 7116 wind measurement tower

图1. 7116号测风塔各测风高度风速(a)、风功率密度年内变化(b)

通海五垴山风电场7116、7208号测风塔各测风高度的风速和风功率密度年内变化情况见图1、图2。由图可知，7116、7208号测风塔1~4月风速、风功率密度较大，7~10月风速、风功率密度较小；月风功率密度最大月与最小月的差距较大，7116、7208号测风塔70 m月风功率密度最大月与最小月的比值分别为7.7和7.0，具有明显的全年两季风特征。总体而言，五垴山风电场7116、7208号测风塔的风速和风功率密度的年内变化呈冬春季大，夏秋季小的特点。

(a) (b)

Figure 2. The annual variation of wind speed (a) and wind power density (b) at different heights of the No. 7208 wind measurement tower

图2. 7208号测风塔各测风高度风速(a)、风功率密度年内变化(b)

4.2. 风速和风功率密度的日变化

(a) (b)

Figure 3. Daily variations of wind speed (a) and wind power density (b) at different heights of the No. 7116 wind measurement tower

图3. 7116号测风塔各测风高度风速(a)、风功率密度日变化(b)

(a) (b)

Figure 4. Daily variations of wind speed (a) and wind power density (b) at different heights of the No. 7208 wind measurement tower

图4. 7208号测风塔各测风高度风速(a)、风功率密度日变化(b)

通海五垴山风电场7116、7208号测风塔各测风高度全年风速和风功率密度日变化情况见图3、图4。从全年的日变化来看，7116号测风塔各高度变化趋势相似，风速、风功率最大值出现在21时~次日1时，最小值出现在9时~13时；7208号测风塔各高度变化趋势相似，风速、风功率最大值出现在14时~17时或21时~次日1时，最小值出现在8时~12时。7116、7208号测风塔各月的日变化趋势相似，各月风速的日内变化不大，一般小于3 m/s。

4.3. 风速和风能频率分布

以1 m/s为一个风速区间，统计五垴山风电场7116、7208号测风塔各高度的风速和风能在不同风速区间出现的频率，见图5、图6。目前风机的切入风速为3 m/s~4 m/s，额定风速在12 m/s~14 m/s之间，切出风速在25 m/s左右，故有效小时数按风速位于3.5 m/s~25.4 m/s之间的小时数之和计算。五垴山风电场7116、7208号测风塔70 m高度上有效风速段小时数基本集中在7750~7990小时。在有效风速段内，70 m高度上7116号塔风速基本集中在3.5 m/s~13.4 m/s之间，风能集中在5.5 m/s~14.4 m/s风速段内之间；7208号塔风速基本集中在3.5 m/s~10.4 m/s之间，风能集中在4.5 m/s~12.4 m/s风速段内之间。

(a) (b)

Figure 5. The wind speed frequency (a) and wind energy frequency (b) distribution at various wind measurement heights of the No. 7116 wind measurement tower

图5. 7116号测风塔各测风高度风速频率(a)、风能频率(b)分布

(a) (b)

Figure 6. The wind speed frequency (a) and wind energy frequency (b) distribution at various wind measurement heights of the No. 7208 wind measurement tower

图6. 7208号测风塔各测风高度风速频率(a)、风能频率(b)分布

4.4. 风向和风能方向

通海五垴山风电场7116、7208号测风塔分别在30 m与70 m、50 m与85 m有风向观测。各测风塔全年风向频率和风能密度方向分布见图7、图8。7116号塔的主风向为SW、WSW、SSW，主风能方向为SW、WSW、W，风向与风能密度集中程度基本一致；7208号塔的主风向为SW、SSW、WSW，主风能方向为WSW、SW、W，风向与风能密度集中程度基本一致；各塔风向频率最高基本为20.3%~30.8%之间，风能密度方向频率最高为25.5%~42.5%之间。从各月分布看(略)，7116、7208号测风塔全年12个月的风向、风能密度方向，主要集中在W~SSW，7~10月在SE方向有一定增加。总体而言，五垴山风电场风向及风能密度方向有较明显的主导方向，主要集中在W~SSW区间。

70 m风向 70 m风能

30 m风向 30 m风能

Figure 7. Wind direction and wind energy rose diagram of measuring wind tower No. 7116 at 30 m, 70 m height

图7. 7116号测风塔30 m、70 m测风高度风向和风能玫瑰图

85 m风向 85 m风能

50 m风向 50 m风能

Figure 8. Wind direction and wind energy rose diagram of measuring wind tower No. 7208 at 50 m, 85 m height

图8. 7208号测风塔50 m、85 m测风高度风向和风能玫瑰图

4.5. 风切变指数

通海五垴山风电场7116、7208号测风塔的风切变指数见表2、表3。7116号测风塔70 m层的风切变指数较大(0.241)，其余各高度的风切变指数在0.2以下；7208号测风塔各高度风切变指数较大，大部分在0.2以上。

Table 2. Wind shear index of wind measuring towers No. 7116

表2. 7116号测风塔风切变指数

		30 m	50 m	60 m	70 m
7116	30 m		0.084	0.101	0.127
	50 m			0.150	0.191
	60 m				0.241

Table 3. Wind shear index of wind measuring towers No. 7208

表3. 7208号测风塔风切变指数

		30 m	50 m	70 m	85 m
7208	30 m		0.244	0.246	0.230
	50 m			0.248	0.216
	70 m				0.161

4.6. 湍流强度

Table 4. Turbulence intensity of wind measuring tower No. 7116

表4. 7116号测风塔湍流强度

测风塔\测风高度		30 m	50 m	60 m	70 m	平均值	最大值
7116	风速 ≥ 4 m/s	0.130	0.121	0.118	0.115	0.121	0.130
	风速 ≥ 12 m/s	0.121	0.115	0.111	0.106	0.113	0.121
	风速 ≥ 15 m/s	0.131	0.125	0.118	0.104	0.119	0.131
	风速 ≥ 18 m/s	/	0.108	0.119	0.133	0.120	0.133
	风速介于14.5 m/s~15.4 m/s	0.123	0.113	0.106	0.103	0.111	0.123

对风电场建设而言，主要关心的是大风速对风机的影响，较小的风速对风机的影响是不大的，故分别取4 m/s、12 m/s、15 m/s、18 m/s以上以及风速介于14.5 m/s~15.4 m/s之间的风速进行湍流强度计算，结果见表4、表5。由表可知，各塔的湍流强度介于0.092~0.207之间。在70 m高度层，风速为15 m/s时，湍流强度在0.104~0.165之间，按IEC61400-1规定，属中等湍流强度。

Table 5. Turbulence intensity of wind measuring tower No. 7208

表5. 7208号测风塔湍流强度

测风塔\测风高度		30 m	50 m	70 m	85 m	平均值	最大值
7208	风速 ≥ 4 m/s	0.178	0.150	0.135	0.129	0.148	0.178
	风速 ≥ 12 m/s	0.207	0.178	0.163	0.149	0.174	0.207
	风速 ≥ 15 m/s	0.134	0.161	0.165	0.145	0.151	0.165
	风速 ≥ 18 m/s	/	/	0.094	0.092	0.093	0.094
	风速介于14.5 m/s~15.4 m/s	/	0.177	0.155	0.144	0.159	0.177

4.7. 风况参数统计

通海五垴山风电场五十年一遇最大风速、极大风速的具体推算过程从略。通海五垴山风电场订正后的代表年主要风况参数见表6、表7。7116号测风塔30~70 m风功率密度分别为215、242、265、304 W/m²，属2级风能资源等级；7208号测风塔30~85 m风功率密度分别为87、123、160、180 W/m²，属1级风能资源等级。

Table 6. Main wind parameters of wind measuring tower No. 7116

表6. 7116号测风塔主要风况参数

风况参数	测量高度(m)				等级
	70 m	60 m	50 m	30 m
风功率密度(W/m^2)	304	265	242	215	2级
年平均风速(m/s)	7.6	7.3	7.1	6.8
风切变指数	0.084~0.241
主导风向	SW
平均空气密度(kg/m^3)	0.936
年平均湍流强度 (70 m高度，切入风速15 m/s)	0.1027

Table 7. Main wind parameters of wind measuring tower No. 7208

表7. 7208号测风塔主要风况参数

风况参数	测量高度(m)				等级
	70 m	60 m	50 m	30 m
风功率密度(W/m^2)	180	160	123	87	1
年平均风速(m/s)	6.4	6.2	5.7	5.0
风切变指数	0.161~0.248
主导风向	SW
平均空气密度(kg/m^3)	0.947
年平均湍流强度 (70 m高度，切入风速15 m/s)	0.1439

5. 结论及建议

1) 五垴山风电场7116、7208号测风塔70 m高度风功率密度分别为265 W/m²、160 W/m²，等级分别为2级、1级，属风能资源丰富区和次丰富区。

2) 五垴山风电场各测风塔1~4月风速、风功率密度较大，7~11月风速、风功率密度较小；月风功率密度最大月与最小月的差距较大，具有明显的全年两季风(大风期与小风期)特征。

3) 五垴山风电场各测风塔各月的日变化趋势相似，各月风速的日内变化不大，一般小于3 m/s。

4) 五垴山风电场各测风塔70 m高度有效风速频率分布基本集中在3.5 m/s~13.4 m/s之间，各测风塔70 m高度上有效风速段小时数基本集中在7750~7990小时之间。

5)五垴山风电场风向与风能密度方向主要集中在W~SSW区间，有利于风机布设，有利于减少风机偏航操作。

6) 五垴山风电场7116号测风塔70 m高度湍流强度为0.104 (风速15 m/s)，7208号测风塔70 m高度湍流强度为0.165 (风速15 m/s)，属中等湍流强度。

7) 五垴山风电场7116号测风塔70 m层的风切变指数较大，其余各高度的风切变指数在0.2以下；7208号测风塔各高度的风切变指数较大，大部分在0.2以上。

8) 五垴山风电场所处位置的雷暴发生频率较高，建议在工程设计、施工和运行阶段，需重视雷暴对工程施工与设备运行的影响。

9) 根据测风塔观测数据综合判断，五垴山风电场建议开发区域在海拔2250 m以上高度范围内。7116号测风塔有较好的代表性，此区域风能资源具备一定工程开发价值。

NOTES

^*通讯作者。