相邻高度 /m 1 号塔风切变指数 2 号塔风切变指数
由于风电机组塔筒价格的变化对风机不同轮毂高 度的动态收益会有显著的变化，所以在风能资源 评估时对轮毂高度的选择是很关键的，有的风电 场建设因风能资源评价失误，建成的风电场达不 到预期的发电量，造成很大的经济损失。所以本 文以内蒙古的两个风电场为例，分析风切变指数 在风电场风速推算中的影响。
1 风电场地理位置及测风塔概况
定也要利用风资源数据计算得出的风切变指数进
行分析评价。由于目前大多数风电场测风塔的安
装高度为 70 m，即风速仪的安装高度在 10 ～ 70 m
之间。而且风速仪的安转个数是有限的，一般只
选择有代表性的几个高度，而风电机组的轮毂高
度并不一定就是测风仪的安装高度，所以要根据
现有的测 风 数 据 并 利 用 计 算 所 得 的 风 切 变 指 数，
（ 1. 内蒙古送变电有限责任公司，内蒙 呼和浩特 010020； 2. 内蒙古电力勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020）
摘要： 基于内蒙古地区地形相似、相距约 18 km 的两个风电场内 2 个测风塔共 10 个测风高度完整一年的 测风资料，根据普朗特经验公式推导出的风切变指数关系式，采用 4 种不同的方法计算各相邻高度间的 风切变指数。根据风切变指数的计算结果分析风速随高度的变化情况，通过不同方法的对比分析，选择 合适的方法计算风切变，为确定风电场适宜的轮毂高度提供参考。
度风速变化的影响分析。
（ 1） 采用全部数据计算风切变指数
如果测风塔数据完整率高，没有数据缺测现
象，可采 用 全 部 数 据 计 算 风 切 变。 计 算 方 法 为：
将全部数据按不同测风高度，在每一测风时间点，
利用指数关系式进行不同高度间的风切变指数计
第3 期
李 鹏，等 风切变指数的确定对风电场风速推算的影响分析
（ 3） 取平均风速后计算风切变指数 该计算方法为： 将各个高度完整一年的数据， 分别计算各个高度的平均风速，根据平均风速计 算结果利用指数关系式进行不同高度间的风切变 计算。两测风塔各相邻高度间风切变指数计算结 果见表 4。
表 4 用平均风速风计算的风切变指数值 Tab． 4 Wind shear exponent in different adjacent height calculated from average wind speeds
1 号塔风切变指数 α 2 号塔风切变指数 α
0. 13
0. 01
0. 22
0. 13
0. 29
0. 24
0. 20
0. 19
0. 10
0. 18
由表 3 的计算结果可以看出，1 号风电场各 相邻高度间风切变指数的变化规律与方法 1 中计 算结果的变化规律一致，但不同的是 10 ～ 30 m 和 60 ～ 70 m 风切变值明显高于方法 1 中的计算 结果，而 50 ～ 60 m 的切变值低于方法 1 中的结 果，原因是对数据进行筛选的结果，说明在10 ～ 30 m 和 60 ～ 70 m 在 3 m /s 以下风速存在的数量 较多，对其进行去除后导致了计算结果的偏大。 2 号风电场各相邻高度间风切变指数的变化规律 与方法 1 中计算结果的变化规律一致，而且数值 很接近。
相邻高度 /m 60 － 70 50 － 70 50 － 60 30 － 50 10 － 30
1 号塔风切变指数 2 号塔风切变指数
－ 0. 02
0. 01
0. 20
0. 13
0. 39
0. 23
0. 17
0. 19
0. 02
0. 18
由 表 2 的 计 算 结 果 可 以 看 出，1 号 风 电 场 10 ～ 30 m 风切变很小，随着高度的增加风切变值 逐渐增大，之后又逐渐减小。在 50 ～ 60 m 切变值 最大，50 ～ 70 m 切变值又减小，而 60 ～ 70 m 切变 已经表现为负值，这说明 1 号风电场 60 ～ 70 m 风 速随高度的增加已无明显变化。2 号风电场各相 邻高度间风切变指数的变化规律与 1 号风电场相 同，但 2 号风电场 10 ～ 30 m 风切变值高于 1 号风 电场 10 ～ 30 m 风切变值，到 60 ～ 70 m 风速随高 度的增加变化很小。由此计算结果分析，本风电 场 60 m 以上风速随高度的增加已不明显，建议风 电机组轮毂高度不宜选择 60 m 以上的高度。
面剪切应力； ρ 为空气密度。
假设混 合 长 度 随 高 度 变 化 有 简 单 指 数 关 系，
由此推导的风切变指数律［3］为：
( ) un = ui
zn zi
α
（ 2）
式中： un 和 ui 分别为高度在 zn 和 zi 处的风速； α
即为风切变指数。
3. 2 风切变指数的计算方法及结果分析
风资源评价中，风切变指数是涉及风力机安 全的一个重要参数［4，5］，风力机的设计和选型都要 考虑风切 变 指 数 的 大 小［6］， 风 电 场 轮 毂 高 度 的 确
关键词： 风切变指数； 风速推算； 影响分析
中图分类号： TP391 文献标识码： A
0 引言
风力发电是可再生能源形式之一，对于节约 能源、保护 环 境 和 促 进 发 展 具 有 重 要 作 用［1］。 随 着科学技术的不断进步，大规模开发利用风能资 源已成为可能。风电场就是应用现代科学技术大 规模利用风能的一种方式，而风能资源评估是整 个风电场建设、运行的重要环节，是风电项目的 根本，对风能资源的正确评估是风电场建设取得 良好经济效益的关键。在对风电场进行风能资源 评估时，主要是选择风电场内具有代表性的测风 塔的测风数据，对其各个高度的风速、风功率密 度、风向和风能频率以及湍流强度、风切变指数 等风资源指标进行分析计算，其目的是选出适宜 该风电场的合适机型和安装高度，以充分利用风 能资源，降低投资成本，取得更好的经济效益。
判断风速随高度的变化情况，选出合适的轮毂高
度并推算风电机组实际安装高度处的风速进行风
资源的评估论证。但由于地形因素等的影响，风
流过时，某些高度层的风速会加速，将改变风廓
线的形状，进而影响不同高度的风切变指数，所
以，风切变指数的计算结果不同，对某些高层风
速的评价结果将不同。本文采用以下 4 种方法计
算风切变指数，探讨各方法的计算结果对不同高
（ 2） 去除 3 m /s 以下风速后计算风切变指数 风机的切入风速一般在 3 ～ 4 m / s，3 m / s 以 下风速对风机功率没有贡献，且在小风速下，数 据误差大。该方法是： 去除 3 m /s 以下风速，在 剩余每一测风时间点，利用指数关系式进行不同 高度间的风切变计算。两测风塔各相邻高度间风 切变指数计算结果的平均值见表 3。 表 3 去除 3 m /s 以下风速风切变指数计算结果的平均值
第 28 卷第 3 期 2012 年 3 月
电力科学与工程 Electric Power Science and Engineering
专栏·新能源技术 NEW ENERGY TECHNOLOGY
Vol. 28，No. 3 7
Mar．，2012
风切变指数的确定对风电场风速推算的影响分析
李 鹏1 ，冯长青2 ，韩小平2
3 风切变指数的计算方法及结果分析
3. 1 风切变指数的定义 在近地层中，风速随高度有显著的变化，记
录表明，在 0. 25 s 内，风速可以由 27 m / s 突变到 37 m / s［2］。造成风在近地层中垂直变化的原因有
动力因素和热力因素，前者主要来源于地面的摩
擦效应，即地面的粗糙度，后者主要表现为与近
2 个风电场内分别设有一个测风塔，其中 1 号测风塔位 1 号风电场内，2 号测风塔位于 2 号风 电场内，1 号测风塔位于 2 号塔东南方向约 17 km 处，2 座测风塔及与风电场相对位置见图 1。测风 塔测风设备均采用美国赛风 Nomad2，所处地形地 貌相似，且 2 座测风塔高度和风速仪安装高度相
2 不合理数据的验证
根据 GB / T18710 － 2002 标准，对测风塔主要 参数进行合理性分析，经统计计算 1 号、2 号测 风塔的 有 效 数 据 完 整 率 都 在 97. 0% 以 上，满 足 GB / T18710 － 2002 《风 电 场 风 能 资 源 评 估 方 法》 中有效 数 据 完 整 率 应 在 90% 以 上 的 要 求。根 据 GB / T18710 － 2002 标准，对不合理数据再次进行 判别，挑出符合实际情况的有效数据，回归原始 数据组。根据测风塔的相关关系以及可供参考的 传感器同 期 记 录 数 据， 经 过 分 析、 处 理、 替 换， 整理出测风塔连续一年的实测风速风向数据，使 其有效数据完整率达到 100% 。
2号 N40°11'56" ， E107°23'05″
海拔高度 /m
1 206
1 236
测风时段
2007. 6. 1 ～ 2008. 5. 31 2007. 6. 1 ～ 2008. 5. 31
塔高 /m
70
70
测风高度 /m 风向高度 /m
70 /60 /50 /30 /10 70 /10
70 /60 /50 /30 /10 70 /10
风速随高度的增加将有显著变化，但由于地 球表面粗糙 度 不 同， 风 速 随 高 度 的 变 化 也 不 同， 有些地区风速随高度增加明显，而有些地区受地 形等因素的影响风速随高度增加不明显，不同高 度增加的程度也不同，越到高空变化越小，这种 风速随高度的变化服从普朗特经验公式。在风电 场资源评估中，就是根据普朗特经验公式推导出 的风切变指数关系式分析风速随高度的变化情况。
图 1 2 座测风塔与风电场相对位置示意图 Fig． 1 Position map of two masts and wind farms