1、測風塔在風能資源開發(fā)利用中的應用研究周海,匡禮勇,程序,崔方(國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司,江蘇省南京市210003摘要:從風電場開發(fā)、建設、運營、管理的全周期角度,全面描述了測風塔技術的應用現(xiàn)狀及作用,系統(tǒng)地闡述了測風塔在風能資源開發(fā)利用過程中的應用成果。首先在風電場前期開發(fā)過程中,對利用測風塔進行的風資源評估、風機微觀選址、風電場邊界層氣象特性分析等方面進行了闡述;其次在風電場業(yè)務運營期間,對氣象信息實時監(jiān)測以及氣象信息在業(yè)務中的運用進行了分析;最后對運營管理過程中的各種應用進行了總結。關鍵詞:風電場;測風塔;氣象信息實時監(jiān)測收稿日期:2010206208;修回日期:2010208

2、204。南京南瑞集團公司科技開發(fā)項目(NARI 22007213。0引言發(fā)展可再生能源是應對氣候變化、優(yōu)化能源結構、解決能源和環(huán)境問題的關鍵,是調(diào)整國內(nèi)能源戰(zhàn)略、轉變電力發(fā)展方式的重要內(nèi)容。隨著全球范圍內(nèi)石油、煤炭等化石能源緊缺狀況的進一步加劇,許多國家都在大力提倡節(jié)能減排的低碳型經(jīng)濟發(fā)展模式。中國風能資源儲量巨大,風力發(fā)電是一種清潔能源,開發(fā)風力發(fā)電是可持續(xù)發(fā)展能源的途徑之一。近年來,中國在國家相關政策的持續(xù)支持和各方的不懈努力下,風電建設發(fā)展快速,裝機容量年均增長率超過70%,截至2009年12月31日國內(nèi)(不含臺灣省累計風電裝機21581臺,風電建設容量達到25.8GW 1。當前,國內(nèi)風

3、電機組的裝機容量和上網(wǎng)電量所占比重不斷增加,風電場的建設規(guī)模和數(shù)量也在逐年大幅攀升,測風塔技術及其應用在風能開發(fā)利用過程中的作用更顯得尤為重要。測風塔架主要有桁架式拉線塔架和圓筒式塔架2種結構型式。目前,國內(nèi)大多數(shù)采用桁架式拉線塔架結構型式;測風塔的安裝地理位置可選擇在擬建風電場的中央或風電場的外圍2km 3km 處。用于風能資源開發(fā)利用的測風塔架上搭載的設備主要是氣象要素實時監(jiān)測系統(tǒng),包括多種氣象要素測量傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊等。具備分層梯度測量和采集風電場微氣象環(huán)境場內(nèi)的風、溫度、濕度、氣壓等氣象信息。在風能資源的開發(fā)和利用過程中,測風塔處于十分重要的位置,主要表現(xiàn)在風電場前期的風

4、資源評估、風場微觀選址、風電場規(guī)劃設計、風電場風況實時監(jiān)測、超短期預測、數(shù)值預報模式、預報輸出數(shù)據(jù)比對和數(shù)值模式參數(shù)校正等方面。本文對測風塔的測量技術及其在風電場各個運營階段的應用進行分析,以期得到相關的應用成果。1測風塔氣象要素實時監(jiān)測系統(tǒng)為了提高風能資源開發(fā)利用的經(jīng)濟效益,必須建立科學合理的風電場氣象要素實時監(jiān)測系統(tǒng),實時采集和監(jiān)測風電場的風速、風向等氣象要素實況。在實際運行過程中,針對不同的使用需求和現(xiàn)場環(huán)境,測風塔的傳感器配置和選址會有所變化。風電場前期開發(fā)過程中,測風塔主要用于風電場的風能資源評估和微觀選址。測風塔的采集時間間隔可以是隔一段時間取數(shù)或實時傳數(shù),測風塔的高度一般為70m

5、 ,根據(jù)需要可為100m 或120m ,測風塔的地址一般選在擬建風電場的中央。風電場投運后,測風塔主要用于風電場的氣象信息實時監(jiān)視和發(fā)電能力預測。此時應在風電場主迎風方向2km 3km 處,建設測風塔氣象要素實時監(jiān)測系統(tǒng),實時監(jiān)測系統(tǒng)每隔5min 將采集計算得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)接收平臺并入庫。測風塔氣象要素實時監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、氣象傳感器和太陽能電源模塊構成。系統(tǒng)具備多信道的接入能力,根據(jù)現(xiàn)場的實際通信條件,可采用無線甚高頻(V HF 、通用分組無線電業(yè)務(GPRS 等信道進行數(shù)據(jù)的遠程傳輸,并且在無日照情況下具有持續(xù)工作30d 的能力。系統(tǒng)結構如圖1所示。測風塔所用的傳感器主

6、要包括測風速計、風向標、氣壓計、溫濕度計、雨量筒等。在沿海地區(qū),由于常受臺風、鹽霧等的影響,需采用超聲波測風計,以提高測風塔使用壽命和利用效率。5第34卷第5期2010年10月20 圖1測風塔氣象要素實時監(jiān)測系統(tǒng)ACS3002MM 型數(shù)據(jù)采集器按照G B/T187092002風電場風能資源測量方法2、G B/T 187102002風電場風能資源評估方法3、風能資源評價技術規(guī)定4、地面氣象觀測規(guī)范5等技術要求,通過各氣象傳感器,對風電場環(huán)境下的氣象要素,如風速、風向、溫度、濕度、氣壓、降雨等進行實時數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計和存儲。具體氣象監(jiān)測要素及技術指標如表1所示。表1測風塔氣象監(jiān)測要素表測量要素測量

7、范圍測量間隔分辨率準確度氣溫-50+506次/min 0.1±0.5相對濕度0100%6次/min 1%±3%氣壓50kPa 110kPa 6次/min 10Pa ±30Pa 風向0°360°1次/s 1°±3°風速060m/s1次/s0.1m/s±2%(12m/s 降水量雨強04mm/min1次/min 0.5mm ±4%2測風塔在風電場前期開發(fā)過程中的應用2.1在風電場風資源評估中的應用國內(nèi)風能資源儲量豐富,主要集中在東北、西北、華北和東部沿海等地區(qū),在內(nèi)陸也有零星的風資源豐富區(qū),如鄱陽湖畔

8、、洞庭湖西岸等地區(qū)。風能密度(風功率密度是衡量一個地方風能大小、評價一個地區(qū)風能潛力最方便最有價值的量6。風能密度的大小主要取決于風速和空氣密度。風能利用的風速范圍主要集中在3m/s 25m/s 。根據(jù)風能密度的大小,將風能密度劃分為7個等級3,如表2所示。在風能資源儲量豐富的地區(qū)選址建立風電場,其前提是精確掌握當?shù)氐娘L資源情況。為有效評價該地區(qū)是否有利于建立風電場,以便達到最佳的經(jīng)濟效益,必須建立測風塔對該地進行為期1年以上的不間斷觀測,收集當?shù)刈罱鼤r段的第一手氣象信息。對收集到的測風塔氣象觀測資料,依據(jù)G B/T 187102002風電場風能資源評估方法3和風能資源評價技術規(guī)定4進行數(shù)據(jù)分

9、析,判定建立風電場的可行性和經(jīng)濟性。2.2在風電場風機微觀選址和選型中的應用針對擬建風電場所處位置的地理地貌,建立若干個測風塔,以便全面反映和代表全場的風資源分布情況。根據(jù)觀測得到的全場梯度氣象數(shù)據(jù),分析場區(qū)內(nèi)不同地理位置的風速、風向分布特征,為風電機組基座的選點規(guī)劃提供參考依據(jù)。表2風能密度等級表風功率密度等級高度10m風功率密度/(W m -2年平均風速參考值/(m s -1高度30m風功率密度/(W m -2年平均風速參考值/(m s -1高度50m風功率密度/(W m -2年平均風速參考值/(m s -1應用于并網(wǎng)風力發(fā)電1<100 4.4<160 5.1<200 5

10、.62100150 5.1160240 5.9200300 6.43150200 5.6240320 6.53004007.0較好4200250 6.03204007.04005007.5好5250300 6.44004807.45006008.0很好63004007.04806408.26008008.8很好740010009.4640160011.0800200011.9很好注:不同高度的年平均風速參考值是按風切變指數(shù)為1/7推算的;與風功率密度上限值對應的年平均風速參考值,按海平面標準大氣壓及風速頻率符合瑞利分布的情況推算。同時,根據(jù)觀測得到的氣象數(shù)據(jù),結合不同廠家不同型號的風機類型,確

11、定最適合本地區(qū)的風機型號,達到風能利用的最優(yōu)化。2.3風電場邊界層氣象特性分析通過對測風塔不同高度的梯度氣象測量數(shù)據(jù),分析風電場區(qū)內(nèi)不同高度上下層之間風的切變關系和穩(wěn)定情況,研究風電場邊界層的氣象特征、理查森系數(shù)等湍流特性,研究高層風的動量下傳特性,為分析風機的尾流影響提供參考,同時也為風電場的局部風力預測提供精細的流體力學模型。62010,34(5 3測風塔在風電場業(yè)務運營期間的應用3.1風電場氣象信息實時監(jiān)測微功耗實時氣象要素采集系統(tǒng)能夠實時采集代表風電場區(qū)域內(nèi)的氣象觀測數(shù)據(jù)728,全面掌握風電場風資源的變化情況,尤其是遇到重大災害天氣,如嚴寒、臺風等惡劣天氣時,能夠及時實施應急預案,減少

12、經(jīng)濟損失。可以根據(jù)實時監(jiān)測的風資源情況,分析風電場出力特性和異常的發(fā)電數(shù)據(jù)的原因。3.2在超短期風力預測中的應用針對電力行業(yè)不同用戶的業(yè)務需求,必須開展多種預測時間尺度的風電出力預測系統(tǒng),超短期風電出力預測就是其中一個。超短期出力預測系統(tǒng)包括超短期風力預測模型和出力預測模型。超短期風力預測模型依靠測風塔的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。其中歷史數(shù)據(jù)主要用于超短期風力預測模型的建模和率參,為超短期的率參提供數(shù)據(jù)積累9211;實時數(shù)據(jù)為超短期風力預測提供實時輸入數(shù)據(jù)源,預測未來04h的風速,實時數(shù)據(jù)還能為預測模型提供實時校正。3.3數(shù)值天氣預報產(chǎn)品的比對和模式校正在風電場出力預測系統(tǒng)中,風力預測是最為關鍵的一

13、環(huán),風力預測的準確程度直接關系到出力預測的準確率。目前針對短期出力預測主要依賴于數(shù)值天氣預報(NWP模式。N WP模式能夠預測出給定坐標位置處不同高度的氣象信息,通過對測風塔處不同高度預測和實測氣象要素情況的對比,分析出預測的誤差,評價NWP模式預測結果的準確率和可用性。根據(jù)累積的測風塔實測氣象資料和對應時段的NWP模式預測數(shù)據(jù),分析預測誤差的規(guī)律,可以改進NWP模式的輸入?yún)?shù),不斷提高預測準確率。從國內(nèi)外的風電場出力預測研究現(xiàn)狀來看, NWP是被廣泛應用的風力預測技術,且均將數(shù)值預報結果作為可靠數(shù)據(jù)源,進行風電場的出力預測。影響出力預測精確度的直接原因有二:其一為風力預測的誤差;其二為出力預

14、測模型帶來的誤差。由于地理網(wǎng)格精度和降尺度技術應用等因素的影響, NWP值的準確度在進行風電場出力預測之前必須進行判定和修正,風電場區(qū)域的實時氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)是進行比對的重要數(shù)據(jù)。4測風塔在風電場運營管理中的應用4.1棄風限電影響評估國內(nèi)發(fā)電行業(yè)整體上以火電為主,存在結構性矛盾,特別是在風電集中的“三北”地區(qū)問題更加突出。由于火電機組調(diào)整速度慢、調(diào)整容量有限,因此,無法滿足風電功率大幅波動情況下的電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻需要,造成了棄風。火電機組中供熱機組比例高,為保證供熱溫度,低谷期間機組無法減到最低技術出力,高峰時段也無法加到額定出力,機組調(diào)峰能力降低。特別是在冬季夜間低負荷、大風時段,風電出力快速增加

15、,對其他非供熱機組調(diào)峰壓力較大,因此造成多數(shù)風電企業(yè)夜間棄風現(xiàn)象嚴重。風電場大都位置偏遠,處于電網(wǎng)末端,電網(wǎng)接納能力較弱,風電外送的能力受到制約。當風電滿發(fā)時,電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力有限,無法消納大規(guī)模風電,為保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定,特定時候需要適當棄風限電。因此,通過對風電場氣象要素資料,尤其是風速進行測量和收集,能夠對棄風限電的風電場發(fā)電損失進行有效評估,提高風電場的運營管理水平。4.2風電場發(fā)電量考核根據(jù)風電場的實際運行時段發(fā)電量,剔除其中限電、電網(wǎng)因素等特殊情況的時段電量,與實際風速情況下理論發(fā)電量進行比對,找出其中存在的偏差,可有效考核風電場風電機組的利用效率。4.3風電場氣象運行資料的累積對風電

16、場進行長期有效的局地微尺度、高時空分辨率、不同高層、不間斷的氣象數(shù)據(jù)觀測,能夠積累風電場的長序列氣象資料,該資料能夠完善和豐富風電場的數(shù)據(jù)庫,完善風電場的資料管理體系。多年風電場的氣象累積資料,不僅能夠對風電場的擴容擴建提供參考依據(jù),還能為風電場中長期發(fā)電量指標的制定和修訂提供歷史依據(jù)。5結語合理、經(jīng)濟、高效地開發(fā)利用風能資源對實現(xiàn)節(jié)能減排目標具有重要的意義。本文通過對測風塔在風能資源開發(fā)利用中的應用進行了系統(tǒng)性的研究,加深了風能資源開發(fā)利用中測風塔重要性的認識,并通過對測風塔技術的有效利用,提高了風電場的運營水平和調(diào)度部門的管理水平,也提高了綠色能源的使用效率。參考文獻1中國可再生能源學會風

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19、c Power Research Institute ,Nanjing 210003,China Abstract :From all aspects such as :development ,construction ,operation and management of wind farm ,this paper f ully describes the current technology status and f unctions of wind tower ,and systematically presents its applied achievements in the p

20、rocess of exploitation and application of wind energy resources.Firstly ,in early exploitation stage of wind farm ,it elaborates the assessment of wind energy resources with wind tower and micro location selection for fan.The analysis of meteorological characteristics of boundary layer for wind farm

21、 are also depicted.Secondly ,the real 2time monitoring of meteorological information during the operation of wind farm ,and its application are analyzed.Finally ,a summary is given about various applications in the process of operation and management.K ey w ords :wind farm ;wind tower ;real 2time mo

22、nitoring of meteorological information(上接第4頁12UL 17412010Safety for inverters ,eonverters ,controllers and interconnection system equipment for use with distributed energy resources.2010.13丁磊,潘貞存,蘇永智,等.并網(wǎng)分散電源的解列與孤島運行.電力自動化設備,2007,27(7:25228.14陳為民,陳國呈,崔開勇,等.分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在孤島時的運行控制.電力系統(tǒng)自動化,2008,32(9:88291.

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24、ted G eneration System withMedium and Small 2size H ydroelectric StationH E Meimei ,L I H uaqiang ,L EI Yanmin ,L IU J unnan(Sichuan University ,Chengdu 610065,China Abstract :The grid 2connected distributed generation (D G system will enter into islanding operation if main 2grid system splitting ca

25、used by power failure.It s a state that will imperil engineers and the equipment concerned.It s important to do some study on islanding detection and operation.However ,now the interest of islanding operation study mainly focuses on D G system based on inverter.There is not enough attention paying to D G islanding detection ba