鉴衡认证中心吴旭红：三维方法对风资源评估的影响

2023年10月16日-19日，2023北京国际风能大会暨展览会（CWP2023）在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京，聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题，将历时四天，包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见App全程直播本次大会。

10月17日上午，鉴衡认证中心吴旭红在“风资源技术论坛上”发表了题目为《三维方法对风资源评估的影响》的主旨发言。

以下为演讲全文：

    大家上午好，很高兴也很荣幸有这个机会与大家聚在一起交流分享，我接下来分享的内容是《三维方法对风资源评估的影响》，分三部分：常用的测风设备、矢量研究、结论。

    常用的测风设备，风速是气流的定向流动，其空间截面上的风速不同，其测量的精细度和准确度直接影响风资源输出的准确性和可靠性。常用的测量设备，包括机械式的传感器，超声波传感器，测风雷达（包括激光雷达、声雷达、毫米波雷达），测风雷达都是通过器械传感器标定的，所以只分析差异。

    先看传感器的测量原理，机械式风杯传感器测量原理，同样的气流在上面产生扭矩力，使其产生输出转速，项目上普遍用的是机械传感器，原理导致只能测平均风速。机械传感器的输出是正悬波、方波，输出的频率是正比实际风速的大小。

    三杯式风速机也是常用的传感器，接下来介绍一下超声波传感器，它的测量原理是脉冲在原固定距离L传播时，顺风时是脉冲风速+风速分量，逆风是脉冲风速-风速分量。通过T1和T2可以得到风速分量，右边是示意图（图片），常用的传感器有三个探头，以互相垂直的方式，同时获得三个方向上的风量，可以得到水平面的风速风向，也可以直接得到三个空间上的风速风量。

    介绍完原理后，接下来基于实测数据做对比。橘色的线是风杯传感器，蓝色是超声波传感器的数据，在小风速段风杯传感器的测量是比超声波传感器测的低10%-30%，而在高风段包含风速增加，以及风速减少的时间段，风速要比超声波大12%。

    另外常用的机械传感器，对于温度有敏感的特性，从图上可以看到风速越小，其实对温度越敏感。我们常用6米的风速，零下20度只有室稳时的96.5%，如果风速低到4米后，零下20度的风速只有室稳94.5%。

    这张图是风杯传感器不同的响应，可以看到机械传感器响应比较差，正常响应是沿着黑色的线，但实际上风加速比跑到黑色的线上面。这样会导致测量的水平风速偏大，总结下来是介质传感器因为摩擦力的原因会小于真实风速，高风速段又会大于真实的风速。低温测量的值，较常温值是偏低的，机械传感器对于角度的能力，使得测量的风速是偏高的。

    机械传感器风杯和转轴容易受到环境影响的损害，所以在复杂环境中，由于风杯风速导致风资源评估的不确定性相对较大，相比之下超声波传感器会对快速变化的风速实现测量，能够达到极高的精度和准确度，因其测量原理，长期的一致性也是非常好的。

    风杯传感器使用之前有标定，使用一两年之后再去标定，风杯传感器一般建议使用2年左右，但是超过3年变化就不是线性的。风杯传感器标定一次之后，隔四五年再次标定，参数也是没有什么变化的。

    下面介绍第二部分主要是标量和矢量处理风数据的研究，这边有一个例子，10分钟内风速大小一直是6m/s，风向以递增的方式从0度变成180度，这种情况下平均风速是多少？标准差和湍流又是多少？

    第二部分介绍两种方法的计算公式，其中UX、UI、UZ是横向分量、纵向分量，G是时间间隔。按照行业间隔来说，这个T是10分钟。其中平面二维计算，只考虑其中的UX和UI，三维是三个量都要考虑进去。

    回到刚刚的问题，按照平常的标量来算，10分钟的风速一直是6m/s，因为风速没有变化，所以标准差和湍流都是0。如果按照矢量计算，这边会分解到平面上UX和UI，分解完之后在Y轴上从正6到负6的变化，在X轴是0-6m/s。用矢量计算完平均风速是3.7985m/s，X轴和Y轴湍流可以看到1.12和0.05%。

    矢量可以更好的反应风速特征，我们也基于原始采样数据，分别用标量和矢量做分析对比。下面是基于4月份超声波数据，分别用标量法和矢量法计算的结果，二维差异基本上是在1%以内，空间三维风速是接近1.5%。

    另外，根据测的4个月数据又做了分辨处理。当风速大于9.5m/s的时候，平均偏差在5%，在4-5m/s最大差值可以达到25%。这两种方法在低风速段差异比较大，影响也是比较大的。

    按照日平均做统计，蓝色的线是空间标量除矢量，从图上可以看到每天11点-17天之间，两者计算差异比较大，最大的差值是在6%以上，其余的时间段是2%以内。这个时间段，恰好是风矢量变化，标量法计算的结果会有较大的误差。

    一般就前面第一部分机械的叠加，标量法计算是5-6%，会有0.2%-0.4%的高估。

    这张图是平面的标量，下面是空间的标量。可以看到平面和湍流变化还是挺剧烈的，而且这两个时间段也是很相似，湍流也是计算很大的区域，风速的变化必须按照空间矢量测量和处理才有意义。

    这是平面标量减U方向湍流的差值，可以看到标量法计算的轴向，差异的结果最高超过20%，对评估影响是比较大的。因为我们按照矢量计算会有三个方面的湍流，V方向、V方向纵向、W方向竖向，这张图是V方向比W方向，差值在0.5-1.2附近，部分时段可以是轴向的2-3倍，这个必须得用三维按矢量处理才可以达到。

    这张图是竖向与轴向的比值，波动也是比较大的。部分时段超过1，湍流增加0.01%，载荷会超过0.5%，所以在比较大的地区，只有测量三维风速才能统计出实际的情况，财政保证分析结果的有效性。

    超声波可以达到比较高的精度，机械传感器受到摩擦、温度等因素，在复杂环境中测量不确定性比较大。在垂直分量较大，水平剧烈，计算误差也是比较大的，通常会高出水平平均强度，且无法按照风机结算的要求给出三个方向的湍流强度，影响计算环境工况的准确性，特别是复杂地形的时候，我们建议使用超声波测风数据，并且处理三维数据，提高机组适应性和准确性。

    后续，我们也会在这方面做深入研究，希望行业内的同仁可以一起参与进来，谢谢大家。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）