1.3 测风数据处理与风能资源评估

2025年09月26日

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1.3 测风数据处理与风能资源评估

风能资源评估是风电资源开发的前提，是风电场建设的关键。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^［18］。当测风数据完成验证工作后应进行测风数据的处理，方能实施风能资源评估。本节首先介绍测风数据分析和风能分析，然后介绍风能资源评估的相关内容。

1.3.1 测风数据分析

风能资源统计分析时，对采集的测风数据需要进行恰当的数据分析和统计处理。测风数据分析时应确定主要变量，包括平均风速、风速分布模型、风切变参数和湍流强度。

1.风速分布

按照数理统计对数据的处理方式，风速均值

可计算为

式中 v_i——风速观测序列，m/s；

n——平均风速计算时段内风速序列个数。

采用式（1-3）进行平均风速计算时，基于平均风速求得的平均风功率与各风速下平均风功率的平均值偏差较大。在进行风能分析时，风功率与风速的3次方相关，直接由平均风速求平均风功率会产生误差传递，因此也可以采用另一种方式计算平均风速，即

除了确定风速在一定时间段内的平均值外，风速的分布也是风资源评估的关键因素。处于两种平均风速下的同一型号风力发电机组，可能会产生完全不同的能量输出。因此除了平均风速外，还应考虑风速变化的量度，即标准偏差。当求得平均风速后，风速的标准偏差σ_v求解为

在测风数据处理时，通常按照不同的风速分布范围来统计风频分布的小时数。若以风频分布的形式来描述风速，平均风速和其标准偏差可分别来计算^［19］，即

式中 f_i——某一风速段的频率；

v_i——各段风速范围的中间值，m/s。

以风速为横坐标，小时数为纵坐标，以1m/s为一个风速区间，统计代表年测风序列中每个风速区间内风速出现的频率，可以绘制各段风速频率柱状图。连接各柱状图顶部中点可形成近似的曲线，该曲线为风速频率分布模式。可采用标准的统计函数来模拟，一般多采用威布尔分布函数。威布尔分布的概率密度函数为^［20］

式中 v——风速，m/s；

k——形状参数；

c——尺度参数。

风速均值

和威布尔分布的两个参数（形状参数与尺度参数）存在关系式为

式中 Γ——伽马函数。

风速标准偏差σ_v和威布尔分布的两个参数存在关系式为

根据测风的风频分布结果，可以确定风场对应的威布尔分布的形状参数和尺度参数。常用的分析方法包括图表法、标准差法、最小二乘法、矩法、最大似然法和能量模式因子法等。国家发改委2004年颁布的《全国风能资源评价技术规定》推荐采用标准差法来求解。

根据式（1-9）和式（1-10）可以得到关系式为

基于测风数据，由式（1-6）和式（1-7）求得风速均值

和风速标准偏差

，一般应通过数值方法求解式（1-11）得到形状参数

。也可以近似估计为

求得形状参数k后，根据式（1-9）可求得尺度参数c，即

除了按上述方法确定风速的量值分布外，还需要确定风向频率。根据风向观测资料，按16个方位统计观测时段内（年、月）各风向出现的小时数，除以总的观测小时数即为各风向频率。

2.风湍流强度

风湍流表示的是10min平均风速的随机变化。湍流模型包括风速变化、风向变化和风切变，对于海上测风塔而言最关键的是风速变化模型。风能资源评估中采用的湍流指标是水平风速的标准偏差，再根据相同时段的平均风速计算出湍流强度。

10min湍流强度计算为

式中 σ——10min风速标准偏差，m/s；

v——10min平均风速，m/s。

逐小时湍流强度是以1h内最大的10min湍流强度作为该小时的代表值。对于有风速脉动观测记录的测点，计算其湍流强度为

式中 u′——脉动风速值（采样时间间隔≤3s）。

1.3.2 风能分析

海上测风塔测风是为了风电场开发所用，根据测风数据评价风能潜力时，常用的指标是一段时期内风功率密度和风中可开发利用的能量。

1.风功率密度

风功率密度是指与风向垂直的单位面积中风所具有的功率（单位时间内的能量），数值取自测风采集给定时间周期内的平均值。

设定时段的平均风功率密度表达式为

式中 n——在设定时段内的记录数；

ρ——空气密度，kg/m³；

v_i——第i段记录的风速，m/s。

平均风功率密度的计算应是设定时段内逐小时风功率密度的平均值，不可用年（或月）平均风速计算年（或月）平均风功率密度。式（1-16）中D_wp计算采用的空气密度ρ必须是当地年平均计算值，它取决于大气温度和压力。

如果风场测风有压力和温度的记录，则空气密度计算为

式中 ρ——空气密度，kg/m³；

P——年平均大气压力，Pa；

R——气体常数，287J/（kg·K）；

T——年平均空气开氏温标绝对温度。

如果没有风场大气压力的实测值，空气密度可以作为海拔高度（z）和温度（T）的函数，计算出估计值为

式中 ρ——空气密度，kg/m³；

z——风场的海拔高度，m；

T——年平均空气开氏温标绝对温度，K。

2.风能密度

风能密度是气流在有效时段内垂直通过单位面积的风能，将风功率密度与时间参数相乘便可得到风能密度。在计算风能密度之前首先应确定风能可利用时间t。

将式（1-8）表示的威布尔分布概率密度函数以f（v）来表示，在计算风能时可利用的时间计算^［21］为

式中 N——统计时段内总时间，h；

v ₁——风力发电机切入风速，m/s；

v ₂——风力发电机切出风速，m/s。

将式（1-8）代入式（1-19）并进行积分后可得

风能密度表达式为

式中 D_WE——风能密度，W·h/m²；

m——风速区间数目；

ρ——空气密度，kg/m³；

———第

个风速区间的风速（m/s）值的立方；

t_j——某扇区或全方位第j个风速区间的风速发生的时间，h。

除了确定风能密度量值外，还应确定风能方向频率。根据风速、风向逐时观测资料，按不同方位（16个方位）统计计算各方向具有的能量，其与总能量之比作为该方向的风能频率。例如，计算年风能方向频率，即

式中 F_东——一年内东风所具有的能量占总能量的比值；

m——风向为东风的小时数；

n——年小时数，平年时n=8760，闰年时n=8784。

1.3.3 风能资源评估

1.评估的参考判据

根据数据处理形成的各种参数，对风电场风能资源进行评估，以判断风电场是否具有开发价值。

风功率密度蕴含风速、风速频率分布和空气密度的影响，是风电场风能资源的综合指标。风功率密度等级在国标“风电场风能资源评估方法”中给出了7个级别，具体参数如表1-11所示。使用时，应注意表1-11中风速参考值依据的标准条件与风场实际条件的差异，风功率密度等级达到或超过3级风况的风电场才有开发价值。

表1-11 风功率密度等级表^[20]

注：1.不同高度的年平均风速参考值是按风切变指数为1/7推算的。

2.与风功率密度上限值对应的年平均风速参考值，按海平面标准大气压及风速频率符合瑞利分布的情况推算。

对于“风向频率及风能密度的方向分布”，风电场内风力发电机组位置的排列取决于风能密度的方向分布。在风能玫瑰图上最好有一个明显的主导风向，或两个方向接近相反的主风向。

对于“风速的日变化和年变化”，用各月的风速（或风功率密度）日变化曲线图和全年的风速（或风功率密度）日变化曲线图，与当地同期的电网日负荷曲线对比；风速（或风功率密度）年变化曲线图，与当地同期的电网年负荷曲线对比，两者相一致或接近的部分越多越好，表明风电场发电量与当地负荷相匹配，风电场输出电力的变化接近负荷需求的变化。

对于“湍流强度”，风电场的湍流特征很重要，因为它对风力发电机组性能和寿命有直接影响，当湍流强度大时，会减少输出功率，还可能引起极端荷载，最终削弱和破坏风力发电机组。湍流强度I_T值不大于0.12表示湍流相对较小；中等程度湍流的I_T值为0.12～0.16；I_T值大于0.16表明湍流过大^［22］。对风电场而言，湍流强度I_T值不宜超过0.16。

对于“发电量初步估算”，根据当地风能资源情况，选择当前成熟的机型初步估算风电场发电量。在扣除空气密度影响、湍流影响、尾流影响、叶片污染、风力发电机组可利用率、场用电和线损、气候影响停机等各种损耗后，风电场年等效满负荷小时数应结合标杆电价核算后若满足投资收益要求才具备较好的开发价值。

对于“其他气象因素”，特殊的天气条件要对风力发电机组提出特殊的要求，会增加成本和运行的困难，如最大风速超过40m/s或极大风速超过60m/s；气温低于-20℃；积雪、积冰；雷暴、盐雾或高温等。

应按照以上主要参数和参考判据，对风电场的风能资源做出综合性评估，并编写风能资源评估报告。

鉴于风资源评估的复杂性和计算量级，一般需要借助于数值分析软件方能完成。目前国际上开发了WAsP、WindFarmer、WindPRO、WindSIM等多种软件^［13］。每一类软件各有所长，在进行风资源评估时可以充分利用这些软件工具。

2.风况图

按照本节相关方法处理好的各种风况参数绘制成风况图。风况图按适用周期主要分为年风况和月风况两大类。下面以我国福建某海上风电场风能资源分析成果为例来进行说明。

（1）年风况主要包含以下图形：

1）全年的风速和风功率密度日变化曲线图，如图1-6所示。

2）风速和风功率密度年变化曲线图，如图1-7所示。

3）全年的风速和风能密度分布直方图，如图1-8所示。

4）全年的风向和风能玫瑰图，如图1-9所示。

（2）月风况主要包含以下图形：