台风影响下海上风电场内的风向偏转特性

王 印 刘飞虹 吴 迪 苗得胜 陈俊鹏

明阳智慧能源集团股份公司

0 引言

在实现“双碳”目标的过程中，清洁能源产业的发展得到了大力支持，海上风电作为清洁能源的重要组成部分，对于实现能源结构转型和应对气候变化具有重要意义。我国具有绵长的海岸线、广阔的可利用海域面积和丰富的海上风能资源，海上风电产业呈快速发展态势，但我国沿海地区台风高发。台风特性参数与海上风电场的设计与控制息息相关，特别是风向参数，直接参与风机的运行与调控[1］，台风期间风向骤变是风力机倒塌的主要原因之一[2］，因而对台风期间风向变化特性研究极为重要。

已有的台风特性研究多集中在台风影响期间风速的脉动特性、湍流强度、风向角等方面[3-5］，对台风期间风向特性的研究较少。常蕊等[6］利用数值模拟的方法研究30 min 平均下，相邻时刻风向变化角度沿台风半径方向的变化规律及台风眼周围最大风向变化角度分布；朱云辉等[7］对厦门地区150 m高空的四次台风过境时，2 h 数据内10 min 平均下风向角的整体变化范围进行对比，发现四次台风的风向角变化范围差异较大；陈秋阳等[8］对比分析了3 座海上测风塔测量同一场台风过境时的数据，发现10 min 风向偏转角度随着距台风中心距离的增加呈逐渐减小的趋势。何如等[9］利用超声波测风仪测量台风影响期间55 m 高度处的风速风向数据，并针对风向偏转变化进行了分析。麦梁诗[10］通过沿海桥梁上记录的3 场完整的台风过境期间的数据，分析了日常平均风向、标准差，与台风期间的风向、标准差的差异，但缺少对相邻时刻风向的瞬变分析，不能很好地代表台风期间海上风电场内的风况。

以上有关台风期间风向的研究多集中在台风的整体风向变化，极少有涉及台风期间的风电场内的风向变化，且台风期间的风向研究仍基于10 min时间精度以上的数据分析，不能体现出风向的骤变过程。因此，基于以上学者的研究成果，本文将依据多个台风过境期间，海上风电场内所记录到的高精度风速风向数据，分析1 s 平均及30 s 平均下海上风电场的风向偏转特性，为海上风电场的设计及台风期间风电机组的安全运行提供参考。

1 数据说明

1.1 数据来源

统计数据源于台风“山竹”“海高斯”“圆规”及“查帕卡”登陆我国广东沿海地区期间，台风路径沿途风电场内测风设备记录下的数据，测风设备安装于风电机组机舱的顶部，记录的主要要素包括：风速、风向、机组运行模式、机舱对北角度、风向对北角度等，数据记录频率为1 Hz。本文分析的多场台风及其所影响的风电场信息见表1，台风移动路径与受影响风电场的位置关系如图1所示，图2为风电场A在台风“山竹”影响下所记录的原始时程数据。

图2 “山竹”影响下风电场A风速风向时程数据

表1 台风及其影响风电场的信息统计

1.2 数据的筛选与统计方法

对于台风过境期间风电场所记录到的风速风向数据，首先识别出其中的无效数据，并对其进行剔除处理，处理完毕后有效数据完整率如表2所示。

表2 数据统计信息

风向偏转角表示的是当前时间点与前一个时间点的风向差值，本文统计时间点的尺度分别为1 s平均与30 s 平均。在统计风向偏转角时，忽略数据断点间的风向变化。

为了便于下文分析，根据台风中心风力等级[11］，确定风速特征参量（见表3），并根据统计数据的工程应用可参考性，确定数据的统计特征参量（见表4）。风电机组叶轮的旋转会使位于机舱顶部的测风设备记录到的风速风向数据产生较大偏差，因此重点统计分析强风速段所对应的风向偏转特性，此时风电机组处于停机状态，不仅能降低叶轮旋转对分析结果的影响，还能分析获取到机组在强风速下承受极限载荷时的风向偏转特性。

表3 风力强度分级

表4 统计特征参量

2 风向偏转特性分析

本节主要对台风过境期间，风电场内不同风速段内风向偏转角的大小进行分析，探索具有典型特征的台风过境时，风电场的风向偏转特征，并对多场台风下风向偏转统计特征及其随风速的变化规律进行总结。

2.1 风向偏转数据的统计特点

对台风“山竹”过境期间风电场A的记录数据进行读取，风速范围为2.5~57.5 m/s，数据的时间精度为1 s，按5 m/s 划分风速区间，统计各风速区间内，处于不同风向偏转角范围的数据量。

不同风速强度下的风向偏转量如图3 所示，风向偏转角主要分布在2°以内，且随着风速的增加，风向偏转角呈减小趋势。各风速区间内风向偏转角的统计结果表明，在全风速段下，绝大部分风向偏转角小于18°，强风速段的（风速大于32.5 m/s）主体风向偏转角小于10°，而超强风速段（风速大于47.5 m/s）的主体风向偏转角小于8°，图3（b）和（c）清楚地展现出上述变化。

图3 不同风速强度下的风向偏转量统计

2.2 典型风向偏转变化分析

风电机组的偏航控制需同时关注1 s 平均风向及30 s 平均风向，因此，分别获取台风“山竹”过境期间风电场A 中#1 机组、台风“查帕卡”过境期间风电场C 中#1 机组所记录的风速风向数据，对台风过境期间风电场中1 s平均及30 s平均的典型风向偏转变化特性进行分析。

2.2.1 1 s平均统计分析

台风过境时1 s 平均下的风速、风向偏转随时序变化如图4 和图5 所示，在此基础上，统计可对风电机组安全性造成影响的强风（≥35 m/s）下风向偏转角特征参数。

图4 “山竹”过境1 s平均下的风速、风向偏转变化

图5 “查帕卡”过境1 s平均下的风速、风向偏转变化

台风“山竹”过境期间，风电场A中风速风向1 s平均下的特征参量统计结果见表5。台风过境期间所有1 s平均下大于35 m/s风速下风向偏转角统计数据表明，偏转角的最大值为26.10°，对应的风速为40.01 m/s；偏转角的99%分位数对应的值为7.55°，对应的风速为36.05 m/s；偏转角的95%分位数对应的值为4.07°，对应的风速为42.40 m/s。

表5 “山竹”过境1 s平均下的特征参量

台风“查帕卡”过境期间，风电场C 中风速风向1 s 平均下的特征参量统计结果见表6。台风过境期间所有1 s 平均下大于35 m/s 风速下风向偏转角统计数据表明，偏转角的最大值为23.14°，对应的风速为42.03 m/s；偏转角的99%分位数对应的值为11.52°，对应的风速为37.40 m/s；偏转角的95% 分位数对应的值为7.92°，对应的风速为63.12 m/s。

表6 “查帕卡”过境1 s平均下的统计参数

2.2.2 30 s平均统计分析

台风过境时30 s 平均下的风速、风向偏转随时序变化如图6和图7所示，对于30 s平均分析，统计在30 m/s 以上的强风速所对应的风向偏转角特征参量。

图6 “山竹”过境30 s平均下的风速、风向偏转变化

图7 “查帕卡”过境30 s平均下的风速、风向偏转变化

台风“山竹”过境期间，风电场A中风速风向30 s平均下的特征参量统计结果见表7。台风过境期间所有30 s 平均下大于30 m/s 风速下风向偏转角统计结果表明，偏转角的最大值为18.45°，对应的风速值为30.24 m/s；偏转角的99%分位数对应的值为11.16°，对应的风速值为36.29 m/s；偏转角的95%分位数对应的值为5.57°，对应的风速值为34.40 m/s。

表7 “山竹”过境30 s平均统计参数

台风“查帕卡”过境期间，风电场C 中风速风向30 s 平均下的特征参量统计结果见表8，台风过境期间所有30 s 平均下大于30 m/s 风速下风向偏转角统计结果表明，偏转角的最大值为28.12°，对应的风速值为38.63 m/s；偏转角的99%分位数对应的值为13.03°，对应的风速值为43.60 m/s；偏转角的95%分位数对应的值为9.24°，对应的风速值为42.98 m/s。

表8 “查帕卡”过境30 s平均下统计参数

将30 s 平均与1 s 平均所统计出的风向偏转特征参数进行对比，发现30 s 平均下99%、95%分位数的风向偏转值均大于1 s 平均的统计结果，说明在台风影响期间，风电场的风向处于一个持续偏转的过程。

2.3 风向偏转特征参数统计分析

基于多个台风过境时沿途风电场的记录数据，分别统计风向偏转角的最大值、99%分位数、95%分位数及其所对应的风速，1 s 平均及30 s 平均下的风向偏转角与对应风速的统计值，统计结果见表9~表12，基于统计数据得到偏转角与对应风速的关系如图8和图9所示。

图8 偏转角与对应风速（1 s平均）

图9 偏转角与对应风速（30 s平均）

表9 “山竹”影响下风电场A风向偏转角与对应风速统计

表10 “海高斯”影响下风电场A风向偏转角与对应风速统计

表11 “圆规”影响下风电场B风向偏转角与对应风速统计

表12 “查帕卡”影响下风电场C风向偏转角与对应风速统计

图8 为台风过境期间风速风向数据的1 s 平均统计结果，由图8（a）可知风向偏转角最大值与其所对应的风速呈正相关，而99%分位数、95%分位数所对应的风向偏转角与风速呈负相关，30 s 平均下的风向偏转角与对应风速的统计结果也发现同样的规律，如图9（a）所示。结合不同风速强度下的风向偏转量统计结果（图3）可知，风向偏转角有随风速增大而减小的趋势，即风向偏转角最大值不具有风向随风速偏转变化的代表性，而99%、95%分位数统计结果显示风向偏转角随风速的变化趋势与散点数据分布结果具有一致性趋势。因此，对风速的偏转进行参量统计时，99%分位数统计结果具有代表性。将99%分位数对应的风向偏转角与风速值的散点数据进行线性拟合，1 s 平均和30 s 平均下拟合直线斜率分别为-0.060、-0.058，斜率相近。

以上所述数据是针对多场台风、多个风场的统计参数结果，该统计结果能反映台风过境期间台风路径沿途风电场的风向偏转变化特征，因此，对风向偏转角与对应风速进行分位数统计，结果如图8（b）和图9（b）所示。统计结果表明，1 s 平均下，99%分位数偏转角度最大值、中位值分别为16.38°、10.5°，对应风速分别为27.41 m/s、57.2 m/s；30 s平均下，99%分位数偏转角最大值、中位值分别为17.06°、13.19°，对应风速分别为36.66 m/s、43.82 m/s。

3 结论

本文基于登陆广东沿海的多场台风过境期间风电场内风电机组的记录数据，分析台风过境时风电场内轮毂高度处的风向偏转角变化规律，得到以下主要结论：

1）风向偏转角随着风速增大呈减小趋势；

2）最大风向偏转角与风速大小呈正相关，99%、95%分位数风向偏转角与风速大小呈负相关，而99%分位数值遵循风向偏转角变化规律，对反映风向偏转的变化特征具有代表性；

3）根据风速风向数据的1 s 平均统计结果，99%分位数偏转角最大值、中位值分别为16.38°、10.5°，对应风速分别为27.41 m/s、57.2 m/s；

4）根据风速风向数据的30 s 平均统计结果，99%分位数偏转角最大值、中位值分别为17.06°、13.19°，对应风速分别为36.66 m/s、43.82 m/s。