【计鹏原创】风电场风切变指数计算方法汇总

　　风电场开发建设和风力发电的前提是风能资源评估，对风能资源的正确评估是风电场取得良好经济效益的关键。风能资源评估的主要目的是确定风电场的装机容量、风力发电机组选型及布置等。而确定风电场合适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。本文汇总了风切变指数的5种不同的计算方法，供大家根据风电场的实际情况选择合适的计算方法，减小风切变指数的计算误差。

1.风切变指数定义

　　在近地层中，风速随高度的变化显著。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地层大气垂直稳定度的关系。当大气层结为中性时，湍流将完全依靠动力原因来发展，这时风速随高度变化服从普朗特经验公式：

　　式中：k为von Karman常数，k=0.4；u*为摩擦速度，u*=（τ/ρ）1/2，其中τ为表面剪切应力，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为：

　　式中：u_n和u_i分别为高度在z_n和z_i处的风速，α为风切变指数。

2.风切变指数的影响因素

　　风切变指数受大气稳定性的影响严重，在中性（neutral）、稳定（stable）与不稳定（unstable）等不同大气条件下，风廓线的变化很大。此时，需要考虑大气稳定性的影响，式（1）表示的对数律公式需要进行大气稳定性的修正，修正后的表达式为：

　　式中：φ为与大气稳定性相关的函数，不稳定条件时φ为正值，稳定条件时φ为负值，中性条件时φ为零。

　　大气稳定性可以采用Richardson数来描述，其表达式为：

　　其中：g为重力加速度，一般取g=9.81m/s²；T为计算层的平均温度，K；t为在高度z处的温度；u为在高度z的风速。一般至少需要2个不同高度的温度值和风速来计算温差和风速差。大气稳定性一般可以按Richardson数分为非常稳定、稳定、中性稳定、不稳定、非常不稳定等5类。

　　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，受大气稳定性的影响，即使同一地区在不同时间段内的风切变指数也是不同的。

3.风切变指数计算方法

　　（1）利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。具体方法是：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平均值作为总风切变指数。

　　（2）去除小风速后计算风切变指数

　　风机的切入风速一般为3～4m/s，故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，可以去除以后再计算。具体方法是：去除各个高度3m/s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平均值作为总风切变指数。

　　（3）利用年平均风速计算风切变指数

　　根据各高度年平均风速数据利用指数公式计算出风切变指数。

　　（4）利用典型速度段风速计算风切变指数。

　　湍流强度I15是10min平均15m/s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(70m)处(15±0.5m/s)的数据，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平均值作为总风切变指数。

　　（5）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。

　　将各个高度的平均风速绘制散点图，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。

在计算风切变指数时，选用几种不同的计算方法，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。

4.建议

　　（1）从风切变角度分析风速随高度的变化具有一定的参考价值，但在利用风切变指数值推算风电场某一高度的风速时，应结合风电场的实际情况进行多方法比较，选择适合本风电场的风切变指数计算方法，进行各高度风速的推算及风资源的评估论证。

　　（2）由于塔筒价格的变化对不同轮毂高度的动态收益会有显著的变化，建议在确定风电机组轮毂高度时，除参考风切变对各高度风资源的影响外，还可以通过详细的技术经济比选确定合适的高度。

　　（3）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平均风速来推算已知高度的年平均风速，二是根据风切变指数与月平均风速来推算已知高度的月平均风速。

（作者：曹云慧）

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