臺(tái)風(fēng)蘇迪羅期間近地層風(fēng)特性對(duì)比分析

臺(tái)風(fēng)蘇迪羅期間近地層風(fēng)特性對(duì)比分析

近年來(lái)，全球海上能源市場(chǎng)發(fā)展迅速。2018年，歐洲海上能源新增能力為265萬(wàn)公里，中國(guó)海上能源新增能力為165.5萬(wàn)公里。相比歐洲,我國(guó)海上風(fēng)電的發(fā)展面臨著西北太平洋熱帶氣旋的考驗(yàn),對(duì)風(fēng)電場(chǎng)選址、機(jī)組設(shè)計(jì)和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行也提出了更高的要求,因此對(duì)熱帶氣旋相關(guān)的氣候規(guī)律、風(fēng)參數(shù)變化特征等進(jìn)行研究就顯得十分重要。目前已有很多關(guān)于臺(tái)風(fēng)以及其對(duì)風(fēng)電工程影響的研究成果,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T31519-2015《臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》也于2015年正式發(fā)布。研究表明,臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程中極端風(fēng)速、異常湍流和突變風(fēng)向是風(fēng)電機(jī)組易受破壞的主要原因。臺(tái)風(fēng)期間極端風(fēng)速大且風(fēng)速變化快,臺(tái)風(fēng)中心附近近地層的湍流強(qiáng)度可異常增大到0.6～0.9,且臺(tái)風(fēng)中心靠近時(shí)底層和高層的湍流強(qiáng)度變化并不同步。但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速風(fēng)向的變化率、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)等的量化描述還不夠完善,對(duì)臺(tái)風(fēng)期間不同下墊面的風(fēng)特性對(duì)比分析還缺乏更細(xì)致的研究。本文基于臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”期間位于不同區(qū)域、不同下墊面的3座測(cè)風(fēng)塔觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)臺(tái)風(fēng)期間不同下墊面的近地層風(fēng)速風(fēng)向變化率、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)的變化特征進(jìn)行計(jì)算分析,并對(duì)近地層風(fēng)特性與不同下墊面之間的關(guān)系進(jìn)行討論,得出具有一定代表性的結(jié)論和變化規(guī)律,以期為海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃選址、風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)設(shè)計(jì)和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行提出合理化建議。數(shù)據(jù)表明一、臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)況臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”于2015年8月8日晚22時(shí)10分以中心附近最大風(fēng)力13級(jí)(38m/s)在福建省莆田市秀嶼區(qū)登陸,隨后進(jìn)入福建和江西境內(nèi),強(qiáng)度逐漸減弱。有2座位于福建近海海島的測(cè)風(fēng)塔,以及1座位于浙江南部復(fù)雜山地的測(cè)風(fēng)塔觀(guān)測(cè)到了本次臺(tái)風(fēng)期間的風(fēng)況數(shù)據(jù)。1#測(cè)風(fēng)塔位于福建莆田平海灣的海島上,周?chē)鸀槠教沟难竺?周邊10km內(nèi)無(wú)陸地或島嶼影響;2#測(cè)風(fēng)塔位于福建平潭的小島上,其南側(cè)約2km處為最高海拔超過(guò)200m的大練島,東南側(cè)約5.5km處為平潭縣,當(dāng)南部來(lái)風(fēng)時(shí)測(cè)風(fēng)塔受大練島的影響較大;3#測(cè)風(fēng)塔位于浙江南部復(fù)雜山地的山脊上,測(cè)風(fēng)塔周?chē)?km內(nèi)海拔落差約700m,坡度較大,地形復(fù)雜,地表植被為茂密的樹(shù)林。臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”的移動(dòng)路徑與3座測(cè)風(fēng)塔的相對(duì)位置如圖1所示,3座測(cè)風(fēng)塔的基本信息如表1所示,測(cè)風(fēng)塔周?chē)牡匦翁卣魅鐖D2-圖4所示。二、調(diào)整期間風(fēng)速、風(fēng)向變化當(dāng)觀(guān)測(cè)點(diǎn)先后遭遇臺(tái)風(fēng)前部的外圍大風(fēng)區(qū)、臺(tái)風(fēng)眼、臺(tái)風(fēng)后部的外圍大風(fēng)區(qū)時(shí),風(fēng)速一般呈雙峰型,臺(tái)風(fēng)登陸后強(qiáng)度快速減弱,臺(tái)風(fēng)后部峰值會(huì)不明顯,風(fēng)速呈單峰型;當(dāng)觀(guān)測(cè)點(diǎn)位于臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)路徑的右側(cè)時(shí),風(fēng)向整體呈順時(shí)針變化,變化角度超過(guò)150°。氣壓呈漏斗狀,登陸期間最低。臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”經(jīng)過(guò)期間3座測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速、風(fēng)向變化時(shí)序圖如圖5-圖7所示。從風(fēng)速變化趨勢(shì)來(lái)看,1#和2#測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速呈雙峰型,但第二個(gè)波峰都較弱,波谷處10min平均風(fēng)速分別為11.9m/s和17.6m/s,分析判斷1#測(cè)風(fēng)塔的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)包含了臺(tái)風(fēng)中心眼區(qū)和外圍大風(fēng)區(qū);2#測(cè)風(fēng)塔獲取的數(shù)據(jù)受臺(tái)風(fēng)眼區(qū)影響較小;3#測(cè)風(fēng)塔由于距離臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑較遠(yuǎn),僅受外圍大風(fēng)區(qū)影響,風(fēng)速整體先升后降,下降過(guò)程中出現(xiàn)多次明顯的大幅振蕩,主要原因是其所處的山地地形復(fù)雜,隨著風(fēng)向的變化會(huì)存在不同的地形加速效應(yīng)。從風(fēng)向變化趨勢(shì)來(lái)看,3座測(cè)風(fēng)塔都位于臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)路徑的右側(cè),風(fēng)向均呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角度基本在170°～190°之間。據(jù)此,本文將基于3座測(cè)風(fēng)塔受臺(tái)風(fēng)影響期間約72小時(shí)的數(shù)據(jù),對(duì)其風(fēng)速風(fēng)向變化速率、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)等近地層風(fēng)參數(shù)進(jìn)行分析。風(fēng)特征在臺(tái)風(fēng)影響期間的分析一、風(fēng)速和風(fēng)向、風(fēng)向和陣風(fēng)風(fēng)極端風(fēng)速和風(fēng)向突變是臺(tái)風(fēng)影響過(guò)程中風(fēng)電機(jī)組易受破壞的主要原因,對(duì)3座測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)向10min變化率的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表2和表3所示。(1)3座測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)瞬時(shí)極大風(fēng)速分別為50.2m/s、49.0m/s和43.8m/s,10min平均最大風(fēng)速分別為41.5m/s、40.2m/s和31.6m/s。極大風(fēng)速均出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)中心抵達(dá)前七級(jí)風(fēng)圈內(nèi)的風(fēng)速上升段,也即風(fēng)速的第一個(gè)波峰值。(2)3座測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速10min變化的最大值均發(fā)生在氣壓的上升段,即臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過(guò)之后,此時(shí)風(fēng)速處于減弱階段,說(shuō)明臺(tái)風(fēng)后段風(fēng)速下降的速率較前段上升的速率快;此外,1#測(cè)風(fēng)塔對(duì)應(yīng)的風(fēng)向10min偏轉(zhuǎn)角度達(dá)35.3°,即風(fēng)速急劇下降的同時(shí),風(fēng)向也發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)。(3)從風(fēng)向的整體偏轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)和偏轉(zhuǎn)角度來(lái)看,測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向的變化速率隨著與臺(tái)風(fēng)中心距離的增加呈逐漸減小的趨勢(shì)。1#測(cè)風(fēng)塔距離臺(tái)風(fēng)中心最近,其風(fēng)向的10min偏轉(zhuǎn)角度最大達(dá)54.2°,而距離臺(tái)風(fēng)中心相對(duì)較遠(yuǎn)的2#和3#測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)向10min偏轉(zhuǎn)角度均不超過(guò)20°。由此可知,距離臺(tái)風(fēng)中心越近,其風(fēng)向突變?cè)矫黠@,對(duì)風(fēng)電機(jī)組在強(qiáng)風(fēng)下的變槳和偏航等控制能力要求越高。二、臺(tái)風(fēng)期間湍流特征分析大氣湍流強(qiáng)度表示瞬時(shí)風(fēng)速偏離均值的程度,是評(píng)價(jià)氣流穩(wěn)定程度的指標(biāo)。湍流強(qiáng)度與地理位置、地形、地表粗糙度和天氣系統(tǒng)類(lèi)型等因素有關(guān)。測(cè)風(fēng)儀湍流強(qiáng)度的計(jì)算方法如下:式中,V為10min平均風(fēng)速(m/s),σ對(duì)比3座測(cè)風(fēng)塔在臺(tái)風(fēng)期間的實(shí)測(cè)湍流強(qiáng)度大小,發(fā)現(xiàn)位于海面的1#測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)湍流強(qiáng)度在0.05～0.18之間,位于海島的2#測(cè)風(fēng)塔在0.08～0.3之間,位于復(fù)雜山地多植被區(qū)域的3#測(cè)風(fēng)塔在0.1～0.5之間。說(shuō)明對(duì)于粗糙度較小的海洋下墊面,臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的湍流變化較小;下墊面粗糙度越大,湍流增加越明顯,尤其是復(fù)雜的山地地形,其增幅更大。對(duì)于受周邊海島影響的海上風(fēng)電場(chǎng),在前期評(píng)估時(shí)應(yīng)充分考慮臺(tái)風(fēng)可能帶來(lái)的不利影響,而復(fù)雜山地的陸上風(fēng)電場(chǎng),對(duì)于臺(tái)風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)影響評(píng)估需更加慎重。此外,受臺(tái)風(fēng)影響期間全風(fēng)速段湍流呈現(xiàn)隨風(fēng)速增大“上翹”或“異常突起”的特征,因此對(duì)于海上風(fēng)電項(xiàng)目,在風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算時(shí)若僅采用15m/s的代表湍流強(qiáng)度,勢(shì)必會(huì)存在一定的局限性或不確定性。三、臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)切變的特征根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn),采用冪指數(shù)公式計(jì)算分析風(fēng)速隨高度的變化:式中,u為z高度處的風(fēng)速,u可以看出,1#和2#測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變受臺(tái)風(fēng)影響不大,平均風(fēng)切變分別為0.071和0.070,風(fēng)切變較正常時(shí)期差異不大,其中位于海島的2#測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變?cè)谑芘_(tái)風(fēng)中心影響時(shí)略有升高;位于復(fù)雜山地地形的3#測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變?cè)谂_(tái)風(fēng)中心遠(yuǎn)離期間明顯變大,最大超過(guò)0.7,平均風(fēng)切變?yōu)?.198。說(shuō)明平坦簡(jiǎn)單地形的下墊面,臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)切變未呈現(xiàn)明顯的變化;而復(fù)雜山地地形,臺(tái)風(fēng)會(huì)引起風(fēng)切變的突變,極端切變很大。四、風(fēng)速隨風(fēng)速的變化陣風(fēng)系數(shù)是10min時(shí)間段內(nèi)最大瞬時(shí)風(fēng)速(3s)與平均風(fēng)速之間的比值,陣風(fēng)系數(shù)是表征風(fēng)速脈動(dòng)特征的參數(shù),可以簡(jiǎn)單直觀(guān)地表征臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)的陣性特點(diǎn),其計(jì)算公式為:式中,G為陣風(fēng)系數(shù),V(1)測(cè)風(fēng)塔的陣風(fēng)系數(shù)一般隨著高度的上升逐漸減小,隨風(fēng)速的增加也有逐漸減小的趨勢(shì),當(dāng)風(fēng)速增大到某一閾值后,陣風(fēng)系數(shù)基本穩(wěn)定在一定幅度內(nèi)。(2)對(duì)比3座測(cè)風(fēng)塔臺(tái)風(fēng)期間陣風(fēng)系數(shù)的變化,發(fā)現(xiàn)位于海洋下墊面的1#測(cè)風(fēng)塔不同高度陣風(fēng)系數(shù)在1.15～1.2之間,2#海島測(cè)風(fēng)塔則在1.25～1.3之間,3#復(fù)雜山地地形測(cè)風(fēng)塔在1.3～1.55之間,說(shuō)明下墊面粗糙度越小,陣風(fēng)系數(shù)越小;反之,粗糙度越大,地形越復(fù)雜,陣風(fēng)系數(shù)變化越大,增加明顯。(3)由于下墊面粗糙度的差異,陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)也呈現(xiàn)出不同特征。海洋下墊面陣風(fēng)系數(shù)隨風(fēng)速的變化基本呈平緩趨勢(shì);對(duì)于海島下墊面,低風(fēng)速段陣風(fēng)系數(shù)較大,隨著風(fēng)速的增大趨于平緩;對(duì)于山地復(fù)雜地形,不同風(fēng)速下的陣風(fēng)系數(shù)波動(dòng)變化明顯?；谂_(tái)風(fēng)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)壓本文基于臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”影響期間位于不同下墊面的3座測(cè)風(fēng)塔觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)臺(tái)風(fēng)期間不同下墊面的近地層風(fēng)特性變化特征進(jìn)行了分析。臺(tái)風(fēng)期間極端風(fēng)速大,風(fēng)速、風(fēng)向變化快,湍流強(qiáng)度等受下墊面的影響也較大。基于此,在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃和選址時(shí),應(yīng)當(dāng)結(jié)合周?chē)匦纬浞挚紤]臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)參