ElectricPowerScienceEngineeringVol.30，No.73Jul．，2014风资源评估中风切变指数的研究徐宝清内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙呼和浩特010080北京天润新能投资有限公司华北分公司，内蒙呼和浩特010010摘要:为了对风资源进行准确有效的评估，对风切变指数这一重要参数进行了分析研究。根据风切变指种不同的方法分别计算风切变指数;然后根据计算得出的风切变指数与幂律公式推算已知高度的风速，再利用不同计算方法得出的结果与实测风速进行对比分析，选择误差最小的计算方法进行计算，得到较为准确的风切变指数。选用内蒙古乌兰察布市某测风塔共个测风高度一年内完整的实测数据为例，采用上述方法计算该地区风切变指数。结果表明，由于地面粗糙度和地形等因素的影响，不仅不同地区的风切变指数是不同的，即使是同一地区同一时间段的风切变指数也是不同的;因此，在进行风能资源评估时，应结合风电场的实际情况综合采用这种方法，选取误差最小的风切变指数。关键词:风资源;评估;风切变指数;幂律公式;风速中图分类号:TP30;TK83文献标识码:DOI:10.3969issn.1672-0792.2014.07.015引言研究山区的风切变指数等风资源特点得出山区风研究了近地层风切变指数的年、月、日变经济安全和国家安全。
目前，能源问题和环境问题日益严峻，世界各国都将开发利用新能源和化的特征及其在风电场风资源评估中的应用;［10］通过利用风切变指数来处理不合理的测风［11，12］可再生能源放到国家能源发展的优先地位。在新数据;****，彭怀午等研究了风资源评价中能源中，风能利用技术与风电开发发展迅速，风电场开发建设和风力发电的前提是风能资源评估。评估的目的主要是摸清风能资源，为确定风电场的装机容量和风力发电机组选型及布置等提供依据，便于对整个项目进行经济技术评价定风电场风力发电机组选型及其安装高度的一个重要依据就是风切变指数。近年来，风能资源的利用力度逐渐加大，近地层风切变的研究工作越来越受重视。Smith研究了风资源评估中风切变指数对风能设备的影响;Frandsen利用风切变指数对湍流强度及风力机疲劳荷载等问题进行了研究;对风切变指数在风功率预测系统中的风速换算进行了研究;通过风切变指数的计算方法并分析了风切变指数对推算风电场风速的影响。风切变指数是风能资源评估中非常重要的参数，在估算风力发电机组发电量时，需要推算出轮毂高度的风况，按照可以根据风切变指数和仪器安装高度测得的风速推算出来近地层任意高度的风速。
因此，风切变指数的准确与否直接影响了推算风机轮毂高度的风况，进而影响到风力发电机组的选型和发电量的估算，最终影响到风电场经济效益的评估。本文以内蒙古乌兰察布市某风场的实测数据为例来计算和分析风切变指数，对风切变指数进行了研究。收稿日期:201417。基金项目:内蒙古工业大学重点科研基金项目作者简介:徐宝清，女，副教授，研究方向为计算机应用和风力发电技术，E-mail:bqxu@163风切变指数在近地层中，风速随高度的变化而有显著的变化，造成这种变化的原因是地面的粗糙度和近地层的大气垂直稳定度。风切变指数表示风速在垂直于风向帄面内的变化，其大小反映风速随高度增加的快慢。其值大表示风能随高度增加地快，风速梯度大;其值小表示风能随高度增加地慢，风速梯度小。其计算公式为:体方法是:对实测数据中每一组数据都利用指数公式计算其风切变指数，再取所有计算结果的帄均值作为总风切变指数。方法去除小风速后计算风切变指数。风机的切入风速一般为以下风速对风机功率没有贡献，且在小风速下，数据误［11］，可以去除以后再计算。具体方法是:以下的风速数据，对剩余的每一组数据都利用指数公式计算其风切变指数，再取所有计算结果的帄均值作为总风切变指数。
根据各高度年帄均风速数据利用指数公式计算出lg风切变指数。方法的风速。风切变指数表征风速随高度的变化程度，由于地形与大气层稳定度等因素的影响，风速随高度变化的程度不同，因此风切变指数的大小也各16］。也就是说，风切变指数受地面粗糙度的影响，不同地区的风切变指数是不同的;风切变间段内的风切变指数也是不同的。因此，要想得到某一地区某一时段的风切变指数的准确值，只能根据当地的实测风速数据计算得到。然而，由于实测风速数据的复杂性，利用实测数据计算风切变指数的方法有很多，不同方法计算得出的风切变指数的值不尽相同，最终将影响到对风资源的评估结果和风电场的经济效益。计算方法介绍选用几种不同的计算方法分别计算风切变指数风切变指数计算，然后根据计算得出的风切变指数与幂律公式推算已知高度的风速，再利用各自推算出的风速与实测风速进行对比分析，根据其误差的大小反过来进行判断各方法计算风切变指数的准确度。为了计算风切变指数，选取了下列种不同的方法进行计算。方法利用全部数据计算风切变指数。具数。湍流强度10min风速下的湍流强度值，是环境湍流强度的特征值，进行湍流强度分析时一定要计算的重要指标。选取距离轮毂高度最近的测风高度数据，将同组的各高度风速数据利用指数公式计算风切变指数，再取所有计算结果的帄均值作为总风切变指数。
方法利用风廓线拟合，得到拟合的幂律曲线，从而得到整个测风高度的风切变指数。具体方法是:将各个高度的帄均风速绘制散点图，然后根据指数关系进行曲线拟合，得到风切变指数拟合曲线，从而得到风切变指数。在得到上述种方法的计算结果之后，根据计算得出的风切变指数与幂律公式推算某一已知高度的风速。再利用各自推算出的风速与实测风速进行对比并进行误差的分析。在推算风速时，可以采用两种方法，一是根据风切变指数与年帄均风速来推算已知高度的年帄均风速;二是根据风切变指数与月帄均风速来推算已知高度的月帄均风速。数据来源及介绍数据选用内蒙古乌兰察布市一座测风塔201012月全年的测风数据，该塔风速仪的测风高度有10m，50m，7010min输出一组数风切变指数的计算以内蒙古乌兰察布市某地区为例，在上述计算方法中方法均利用10高度的风速数据分别计算10高度区间的风切变指数，得到的计算结果为:方法04;方法中各高度的月帄均风速绘制散点图、添加趋势线，得到12个月的风切变指数拟合曲线。图个典型月份的拟合结果;11月份的拟合相关系都很接近于1，拟合结果可信度高，而124479，拟合关系式不准确，产生较大误差，因此考虑将12月份的拟合结果舍弃，利用前11个月拟合结果的帄均值作为方各高度年帄均风速高度8695035610967变指数;方法计算得出的风切变指数的影响。
李鸿秀、朱瑞兆等指出［17］，在多山地区，风电场的风切变指数会出现负切变。本文选取的乌兰察布市某地区正是属于多山地区，并且由图11月份各个高度的月帄均风速都是着高度的增加而增加，而在12月份，10帄均风速为10.435s，分别是当月50 高度帄均风速的 45倍，即风速没有随着高 风切变指数进行帄均之后，12月份的 这一问题被暴露出来，导致方法 利用年帄均风速推算由方法 得出的10 ，分别利用10 高度的年帄均风速与幂律公式推算 70 高度的风速，并将推算值与实测年帄均风速数据进行比较，结果见表 ，分别利用10 09250 89710 表示利用50 表示利用10 高度的年帄均风速与幂律公式计算的值。均风速与幂律公式推算 70 高度的风速，并将推算值与实测月帄均风速数据进行比较。图 种方法计算的相对误差统计。 1011 12 帄均值 方法 73643. 106 477方法 11.491 11. 166 40410. 402 0614. 858 14. 197 16. 52 14. 188 54. 373 14. 335 方法 49142. 368 308方法 61210. 109 60266. 212 921方法 63743. 036 年数据的风切变指数拟合结果月份 1011 12 风切变指数 4779由上述计算结果可以看出，方法 年帄均风速)的计算结果很接近，相差仅 003，这是因为方风切变指数值 高度 03150 96方法 是在所有数据的帄均值的基础上计算风切10 06950 25810 32有明显的增加，这说明 10 03450 的风速数量较多，去除之后导致了结果偏大。
10 439方法 0450 25818. 096 产生了负切变，出现这种现象的原因主要是地形 10 765续表 月份 1011 12 帄均值 方法 10.979 10. 643 53914. 363 13. 692 16. 036 13. 679 55. 279 13. 915 方法 00844. 443 714方法 22.919 22. 627 19. 433 19. 239 19. 357 21. 96 20. 793 25. 847 25. 265 27. 289 25. 257 34. 457 23. 421 方法 73441. 922 889方法 36873. 83 可以看出，无论推算风速时采用的是年帄均风速还是月帄均风速，5 种计算方 法中误差最大的是方法 4，方法 推算结果的误差很接近，相差最多只有 42%风切变指数计算，而且这 两种方法都比方法 的误差小，其次误差较小的是方法 与方法5。当采用年帄均风速计算时，利 639%，而利用 10 风速数据计算误差时方法 又小于方法5，相差 利用50 推算结果的误差情况也很接近;方法 在去除了小风速后减小了误差; 方法 的推算结果误差大小不稳定，其原因是 12 月份的误差很大，导致了 总体误差偏大; 方法 误差较大的原因是在经过数据筛选之后出现了负切变，导致推算风速的结 果偏差较大。
另外，由表 还可以看出，在用幂律公式推算 70 高度风速比用10 而在利用年帄均风速推算时，并不能确定利用 10 由于地面粗糙度和地形等因素的影响，不同地区的风切变指数是不同的，即使是同一地 区同一时间段的相同数据采用不同方法计算所得 的风切变指数也是不同的。 通过比较由各种方法计算所得风切变指数推算出的风速与实测风速的误差，发现去除了 以下的风速数据后得到的风切变指数比用全部数据计算出的结果更加准确。 利用不同高度年帄均风速计算得到的总风切变指数与利用全部数据计算得到的风切变指 数值相近，它们都反应了年帄均整体水帄。 计算风切变指数时，如果在数据筛选之后出现了负切变，则其得出的结果将不再稳定可 靠。通过风廓线拟合来计算风切变指数时，它利 用所有数据得到了完整的风切变剖面线。由于本 文利用的数据在 12 月份出现了负切变，得到的风 切变指数准确度不高。因此在计算风切变指数时 是否采用风廓线法应根据风电场的实际情况而定， 如果出现负切变，则不适合采用此方法。 利用月帄均风速与风切变指数采用幂律公式推算风速时，应考虑采用相邻高度的月帄均 风速，以减小误差; 而如果利用年帄均风速与风 切变指数采用幂律公式推算风速时，则不能确定 采用相邻高度的年帄均风速产生的误差更小。
综上所述，在进行风能资源评估时，应结合 风电场的实际情况进行多方法的比较，利用风切 变指数推算风速动态地选择误差较小的风切变指 数计算方法，从而得到较为准确的风切变指数， 才能更准确地进行下一步的评估工作。 参考文献: ****．对中国能源问题的思考 345-359 2007年会气候学分会场论文 集，2 SmithK，Ｒandall G，Mal colm D，et al Evaluation windshear patterns Midwest wind energy facil itie CP-500-32492 turbulence-generatedfatigue loading windturbine cluster 风电功率预测误差分析及预测误差 设，2013，34 电力建设，2013 ，34 92-96 杜燕军，冯长青．风切变指数在风电场风资源评估中的 应用 电网与清洁能源，2010，26 62-66 电网与清洁能源，2012，28 88-96 基于中国风能资源专业观测网的近地层风切变日变化特征 自然资源学报，2012 ，27 1362-1372 风电场测风数据的验证和处理方法 60-66．［11］ ****，冯长青，韩小帄，等． 风切变指数的确定对风 2012，28 ［12］彭怀午，冯长青，包紫光，等． 风资源评价中风切变 21-28 ［13］GB 18710-2002 Atmosphericboundary layers TenthInternational Conference WindEngineering windshear exponent Mediterraneanisland climate ＲenewableEnergy， 2003 647-653 ［16］Shafiqur Ｒenmana，Naif M，Ai-abbadi Windshear coeffi energyyield Dhahran，SaudiArabia
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