王杰，孙天添，赵晓彤，蔡仕博，辛欣，闻丹

(1.宁波市鄞州区气象局，浙江 宁波 315100；2.国电鄞州风力发电有限公司，浙江 宁波 315100)

绿色低碳能源的大力开发是能源供给侧改革、能源结构转型、降低碳排放的重要举措[1]，风能作为重要的可再生能源，发电不消耗一次性能源，不污染环境，建设周期短，装机规模灵活，占地少，对土地要求低，发电方式多样化，具有很高的环境价值和广阔的发展前景。在可再生绿色能源开发利用中，风力发电技术最为成熟，已成为当前世界上增长最快的能源。目前，中国正逐年增大新能源发电的比例，积极推进风电项目的建设。浙江省积极推进近海风电项目建设，省内近海和离大陆较远的海岛，属风能资源丰富区，也是浙江风能资源最好的地区，研究风能的开发利用，对助推绿色低碳能源的持续发展，加强生态文明建设，有着重要的理论和实践意义。随着风能资源的不断开发和利用，人们也开始关注气候、环境和风电场之间的相互影响。张双益等[2-5]研究了大气边界层与风力发电的相互作用，发现不同的下垫面会不同程度地改变风力机下游空气流动，使近地面的风速及湍动能发生变化；曾琦等[6-9]着重分析了台风、雷电、低温冰冻、暴雨、沙尘暴、高温等各类气象灾害对风电场的影响，气象灾害会使风电场内设备受损，发电效益降低，并提出相应的措施。王烨芳等[10]利用实时观测数据，对江苏环港风电场风能资源进行特征分析。薛晓丹等[11]研究了风力发电对生态环境的影响。

鄞州区白岩山风电场位于浙江省宁波市鄞州区横溪镇、塘溪镇的白岩山一带，靠近浙北沿海，离象山港沿海直线距离11 km，平均海拔高度500 m，气候条件优越，被评为浙江省避暑胜地，当地坚持高质量绿色发展理念，有效利用丘陵风能，深入发掘风力发电潜力，推进风力发电绿色经济发展，助力乡村振兴，实现生态可持续发展。就近利用风能资源，既可助力当地调整能源结构，又能带动乡村经济发展。场地安装单机容量2、2.5 MW风力发电机组各15台，总装机容量67.5 MW，风机风筒高度都为80 m，其中2 MW风机叶片直径96 m，2.5 MW风机叶片直径103 m。本文重点研究风电特征，以提高风力能源资源利用率，为日常风电管理提供技术参考。

1 材料与方法

所用资料取自2018年1月至2020年12月白岩山风电场16号机(以下简称白岩山站，海拔500 m)记录到的低空10、50、70、80 m风向风速，以及有效风功率数据，时间分辨率15 min，数据完整率84.7%，其中2018年数据较为完整，达98.8%，2019年和2020年由于检修维护等原因，数据完整率分别为71.6%和83.7%。

2 结果与分析

2.1 风速与风向

2.1.1 风速

图1表明，10 m高度风速大多在<6 m·s-1，其中，1～4 m·s-1占总样本的60%左右，风速>6 m·s-1的占10%，>10 m·s-1的占0.5%左右；50、70、80 m 3个高度的风速分布特征基本相似，但明显右偏，峰值基本都出现3～5 m·s-1，风速在6～10 m·s-1出现的频率也明显高于10 m高度，>10 m·s-1的占比为5%左右。由于风机运行需要满足一定的风速条件，以16号风机为例，运行的切入风速为3 m·s-1，<3 m·s-1时很难输出风功率，而为了保证风机在极端大风下的安全，风速达到25 m·s-1将停止运行，进入切出保护。在3～25 m·s-1可发电风速中，又可分为3～10 m·s-1未满负荷运行和10～25 m·s-1满负荷运行。根据上述风速划分，统计各区间风速出现的频率，可以看到风机高度(80 m)可利用的风速占比约82.6%，其中，3～10 m·s-1未满负荷占76.5%，10～25 m·s-1满负荷占6.1%，不可发电风速占17.3%(表1)。转换为小时数，年有效风时数达7 200 h左右。

图1 白岩山风电场风速频率的分布

表1 白岩山风电场风速频率和风能利用的年小时数

图2表明，全年10～80 m层高平均风速依次为3.4、5.2、5.4、5.6 m·s-1，风速随高度基本呈指数分布，拟合指数(简称风廓线指数，下同)为0.244(R2为0.995，通过0.001显著性检验)，这与众多文献的结论一致。从各月平均风速看，月平均风速最大值出现在12月，其次为8月；最小值出现在6月，其次为5月；其他月份则与年平均风速较为接近。这种风速月际分布特征与宁波地区的气候特征密切相关，宁波地区处于典型的亚热带季风气候区，冬季多冷空气大风，夏季易受台风影响，因此，风能资源较为丰富，而春末夏初属季节过渡期，冷空气和台风影响均较少，是全年中风能资源相对匮乏的月份。从拟合曲线看，尽管各月平均风速存在明显差异，但均遵循指数分布，指数最大出现在6月，最低出现在1月，1—4月、9—10月低于全年统计值，其他月份则高于全年值。由于下垫面粗糙度和近地层大气稳定度是影响风廓线指数的主要因素，下垫面越粗糙、大气越稳定，风廓线指数越大，反之越小。统计表明在同一季节不同月份，在下垫面粗糙度和天气系统的综合影响下，风廓线指数存在明显差异，因此，利用基于全年甚至单个季节的风廓线统计指数进行风速高度推算时需慎重。

图例数据为各月风廓线指数

图3基于全年样本统计的不同层高风速日变化曲线可以发现，高、低层风速日变化特征有明显差异。50、70和80 m的风速日变化特征基本相似，风速在夜间相对稳定，早晨6：00前后起风速下降，9：00起增强；而10 m高度风速在夜间同样稳定，但在6：00起逐渐增强，峰值出现在14：00前后，以后逐渐减弱。这种特征与大气稳定度密切相关，夜间大气相对稳定，高低层动量交换小，风速差异更大；白天日出前后由于太阳辐射使得地面加热，近地层大气趋于不稳定，高低层动量交换使得风速垂直切变减小。

图3 风速日变化(a.不同层高全年平均风速，b.10 m高度不同月份平均风速，c.80 m高度不同月份平均风速)

综合来看，6月风速值在全年中相对最小，是安排时间较长的大检修最佳时间，6：00—9:00是风速值在全天中最小时段，短时的风机自主检查维护可安排在该时间段进行。

2.1.2 风向

由于宁波处于季风气候区，年内存在明显的盛行风向，且风向季节差异明显。从图4可以看出，白岩山站各高度风向分布基本一致，全年主导风向均为偏北风，占比23%左右，其次为偏南风，一般可达22%左右，NE、NW、SE 3个风向比例相近，均在12%左右，其余风向(SW、W、E)占比均<9%。

图4 白岩山风电场各高度层次风向频次玫瑰

主导风向的一致性好，可有效减少风机偏航角度的调整频率，从而提高风能利用率。为分析日内风向的一致性，图5给出80 m高度年内逐日风向频率。分析表明，1～60 d(1—2月)以及240～365 d(9—12月)主导风向为偏北风，120～210 d(5—7月)主导风向为偏南风，这段时间内风机角度可较少的调整，风能利用率较高，而60～90 d(3—4月)以及210～240 d(8月)主导风向较为发散，尤其是8月，作为平均风速第二大的月份，需要频繁进行风机偏航角度调整，从而尽量提高风能利用率。

图5 白岩山风电场层高80 m年内逐日风向频率

2.2 风功率

由于检修维护等原因，2019—2020年数据部分缺失，因此，有效功率(发电量)分析主要以2018年的数据为依据。

2.2.1 有效风功率与风速

图6 白岩山风电场有效功率与风速散点对比图(2018年)

2.2.2 有效风功率和有效风时数月变化

经统计，2018年该电机发电总量为162.22 GW·h，年有效小时数7 742 h。从月分布(图7)看，12月发电量最大，达21.97 GW·h，有效小时数685 h；3月发电量次之，为18.14 GW·h，有效小时数705 h；6月发电量和有效小时数均为全年最小，分别为5.85 GW·h和596 h。对比月平均风速分布特征可以看出，8月为平均风速全年第二高的月份，但月发电量不及3月，主要原因是该月大风多为台风和强对流影响，风速波动大，多10.5 m·s-1以上的大风，风机易进入满负荷状态，而3月尽管平均风速较低，但有效小时数为全年最高，因此，有效风功率较高。

图7 白岩山风电场发电量和有效小时数逐月分布

3 小结

对宁波市鄞州区白岩山风电场2018—2020年的风速风向及风功率数据进行统计分析，得出以下结论：1)在80 m风机高度，不可发电弱风速占17.3%，可发电风速小时数占全年82.6%；月平均风速最大值出现在12月，其次为8月，最小值出现在6月，其次为5月，其他月份则与年平均风速较为接近。6月风速值在全年中相对最小，是安排时间较长的大检修最佳时间；6：00—9:00是风速值在全天中最小时段，短时的检修可安排在这段时间进行。2)平均风速随高度基本呈指数分布，拟合指数为0.244；由于下垫面和天气系统差异，同一季节不同月份，风廓线指数存在明显差异。3)白岩山站存在显著的季节主导风向，1—2月、9—12月主导风向为偏北风，5—7月主导风向为偏南风，这段时间内风机角度可较少调整，风能利用率较高；3—4月以及8月主导风向较为发散，尤其是8月，作为平均风速第二大的月份，需要频繁进行风机角度调整，从而尽量提高风能利用率。4)2018年风机发电总量为162.22 GW·h，年有效小时数7 742 h，12月发电量最大，3月发电量次之，6月发电量和有效小时数均为全年最小。

4 思考

2019年，鄞州列入全国乡村治理体系建设试点示范县(区)，获评农业农村部全国农村创新创业典型县，成为中国最具幸福感城市和浙江县域社会治理“十佳”县(市、区)，还被评为浙江省绿色发展先行区。白岩山风电场紧紧围绕美丽和谐风电建设，出色的人文自然环境，被媒体、网友誉为宁波最美风车公路，为当地的生态旅游作出了巨大贡献。因生态环境复绿效果较好，部分建设标准被浙江省能源局采纳，作为浙江省陆上风电与美丽景观建设指导意见予以推广。做好风的预报预测服务，提高风电场的预报准确度，尤其是台风过程期间的预报准确率，是风电高效安全运维的关键。下一步，我们将重点研究高山地形条件下风的短期预报，为风电场短期风预测预报提供技术支撑，发挥风电最大效能，助力鄞州乡村振兴。