随着目前经济发展的速度, 到2050年全球需要30 TW的能量^[1]。于是可再生能源逐渐取代化石能源^[2], 如海洋能、风能、生物能、太阳能等^[3]。其中风能在地球上拥有巨大的储备, 全球每年有53 000 TW·h可利用风能资源。随着社会经济的发展, 能源消耗日益加快, 世界各国正加紧发展各自的海上风能资源^[4], 因此离岸风能资源的评估成为建设海上风电项目必须首要考虑的问题^[5]。Qin等^[6]基于MM5模型(fifth- generation penn state/NCAR mesoscale model), 研究了我国2005年100 m高度处的离岸风能, 发现在东南沿海海上风能资源丰富。Hong等^[7]基于GIS评估了中国经济特区的有效海洋风能资源。Jiang^[8]利用2000~2008年QuikSCAT风场数据估计了我国10 m高度处风能资源大约660 GW。

空气流动产生风, 而台风是一个拥有巨大能量的旋转气旋。整个台风可以分成好几个区, 在气旋的中间区域风速比其它区域小; 中心区向外风速一般都很大, 具有很强的破坏力^[9]。当风速在一定范围内可以带动风电机以额定功率发电; 但是当风速很大时可能摧毁沿途的风电场, 因此台风对沿海风电的影响日渐受到重视。Li等^[10]基于CCLM再分析数据研究了渤海和黄海气候态和个别极端海况下的风能资源时空变化。台风作为一种极端的海洋气象现象, 对海洋风力发电产生重要影响, 但目前关于生成于南海然后北上, 在东海离境的这类独特台风对沿海风电的影响研究较少。

本文针对我国海上风电常用的Sinovel SL3000/ 118风机系统, 研究了0903号台风自中国南海生成, 然后沿着闽浙沿岸, 最后在30°N东海离境期间对中国东部海洋风力发电站的影响。

1 数据、方法和研究区域 1.1 数据

0903号台风的移动路径数据来自于日本东京气象厅下载, 0903号台风生成前后21天的风场资料采用的是CCMP(Cross-Calibrated Multi-Platform)数据(http://data.remss.com/ccmp/v02.0/)。该数据采用VAM (variational analysis method, 即变分分析法)融合了Ⅴ-7 RSS辐射计的风速, QuikSCAT和ASCAT散射计的风矢量, 锚系浮标的风数据以及EAR-Interim模式风区等诸多平台的表面风场资料, 因为其无间隔, 空间分辨率高, 时间跨度长等特性, 经常被用来做学术研究使用。

1.2 方法

基于CCMP数据10 m风速可以根据公式(1)^[11]计算风机高度处的风速。

$ {U_{90}} = {U_{10}}\frac{{\ln {z_{90}} - \ln {z_{10}}}}{{\ln {z_{10}} - \ln {z_0}}} $

(1)

其中, U₉₀和U₁₀分别是海表面上90 m和10 m处的风速; z₀=0.01 m表示海表面粗糙度; z₉₀和z₁₀分别表示90 m和10 m高度。

风能强度指数(P_D)可以基于公式(2)计算,

$ {P_{\rm{D}}} = \frac{1}{2}\rho U_{90}^3 $

(2)

其中, ρ=1.22 kg/m³表示空气密度。

风机的输出功率可基于公式(3)获取,

$ {P_{\rm{E}}} = {P_{\rm{D}}}A{C_{\rm{p}}} $

(3)

其中, P_E表示风机的输出功率; A表示风机叶片扫过的面积; C_p = 50%表示Betz系数。

运营能力(%)这一项指某时间段内风速能符合风机的切入风速和切出风速要求的时间占总时间段的比重, SL3000/118型风力发电机组的切入风速为3 m/s, 切出风速为25 m/s, 根据公式(4)得出该机型在这5个地区的运营能力。

$ {O_{\rm{c}}} = \frac{{{T_1}}}{T} \times 100 $

(4)

这里T₁是风速介于切入和切出风速之间的时间, T是总时间。

额定容量(%)这一项是指某时间段内风速满足大于风机的额定风速当然也要小于切出风速这一要求的时间占总时间段的比重, 根据公式(5)可以计算额定容量。

$ {R_{\rm{c}}} = \frac{{{T_2}}}{T} \times 100 $

(5)

这里T₂是风速介于额定风速和切出风速之间的时间。

1.3 研究区域

为了研究0903号台风对沿海风力发电的影响, 我们从东海、渤海和黄海海域沿岸选定5个已建或在建的海上风电场, 如图 1所示。5个地点分别是S1唐山市海港区、S2盐城市响水县、S3南通市如东县、S4嘉兴市平湖县和S5莆田市秀屿区。本研究所选的Sinovel SL3000/118风机系统主要参数如表 1所示。

2 台风过程 2.1 台风生消过程

0903号台风自2009年6月18日在南海海域生成并发展, 一路沿着偏北方向移动, 移动过程中在20日和21日发展成强热带风暴。通过图 2可以发现海上风电场S1、S2、S3、S4、S5所在的5个站位, 在6月19日的18时的海表10 m处风速分别为2、5、6、6、4 m/s, 而它们在6月20日18时的风速为6、4、4、5、4 m/s。S1、S2、S3、S4所处海域距离台风依然比较远, 除了S1外, 其他3个站位基本没有变化。台风于6月21日8时在福建省泉州市沿海登陆, 然后一路向着东北移动, 在6月22日13时左右离开中国沿海回到海上。在6月21日和22日里, S1的风速为4~6 m/s, S2的风速为3~6 m/s, S3的风速为3~5 m/s, S4的风速为3~6 m/s。S5在2天4个时间段受台风影响明显, 风速分别为10、13、15、9 m/s, 随着台风的北进, S5的风能显著呈增加趋势。6月22日20时, 在我国沿海东海海域减弱为热带低压, 此时台风最大风速为14 m/s, 半径可达200 km, 移动速度为30 km/h。23日12时和24日0时, 台风中心逐渐向东北方向移动离开东海。

2.2 风机高度90 m的风速

在实际风电厂风机的高度不是固定不变的, 我们选择的Sinovel SL3000/118风机高度90 m, 根据公式(1)可以计算90 m处风速分布。图 3分别列出了19日18时、20日18时、21日18时、22日18时、23日12时、24日0时90 m高度的风速分布, 与图 2对比发现, 由于高度增加, 风速普遍增加, 以S5风电站为例, 最大风速增大2~3 m/s。

3 台风对海上风电的影响

一般风电机都有一个风速范围, 根据表 1可知, 切入风速是3 m/s, 达到这个风速发电机就开始工作。切出风速是保证风力发电安全运行的风速值, 当风电机受到的风速过高超过切出风速的时候, 风力发电机就会自动停止旋转不再运行, 它的值一般是25 m/s。额定风速是风机达到额定功率时轮毂高度处的设计风速, 它通常为10.5 m/s。

3.1 发电功率P_E

由图 4和表 2可以得知, 5个选定站位S1、S2、S3、S4、S5在0903号台风过境的21天里, 台风北进过程中前沿在6月18日和19日对风机的输出功率产生明显影响, 其中S4在18日18时达到最大值49.8 MW, S3在19日0时达到最大值50.2 MW; 对S2和S1站的影响逐渐降低。台风中心于22日进入东海后, 23日5个发电站的输出功率最低, 均低于5.5 MW。台风离境后受台风后沿影响, 在6月27日和28日对风机输出功率产生明显影响, 其中S3和S4在27日6时分别达到最大功率76.2 MW和45.2 MW。

3.2 运营能力O_c

由图 5可以得知, 5个选定站位S1、S2、S3、S4、S5在0903号台风的前后21天里风机的O_c分别是64.3%、86.9%、84.5%、88.1%、77.4%。S1风速介于切入切出风速的时间最少, 也就是说正常工作的时间最少。结合着台风路径, 可以知道S1位于渤海海域, 0903号台风形成于南海, 沿着偏北-东北-偏北-东北的移动路径, 最后在浙江省玉环市沿海开始减弱消亡, 接着沿东北方穿过日本岛离开我国海域。台风整个过程中, 距离S1都很远, 所以它的O_c也是5个站位中最小的。其余4个站位在台风移动过程中, 距离相对于S1近了很多, 所以4个站位的O_c都很大。

3.3 额定容量R_c

由图 6和表 2可以得知, S1—S5站点在台风经过的前后21天内, R_c分别是0、10.7%、13.1%、9.5%、10.7%。可以发现, S1没有超过额定风速工作, 其他4个站点受台风影响, 超过额定风速工作的时间约占10%, 此时风机处于超负荷工作状态。据台风中心最近的S5风机额定容量为10.7%, 并不是最大值; 而对S3风机影响最大, 额定容量为13.1%, 因此不能单纯根据风机距离台风中心的远近来判断对额定容量影响程度的大小。0903号台风过境整个过程中, 风速未超过风机的切出风速, 对我国东部海洋风力发电场, 提高了发电量。

4 结论

1) 0903号台风自2009年6月18日在南海海域生成并发展, 一路沿着偏北方向移动, 移动过程中在20日和21日发展成强热带风暴。台风于6月21日8时在福建省泉州市沿海登陆, 然后向着东北移动, 在6月22日13时左右离开中国沿海回到海上。6月22日20时, 在我国沿海东海海域减弱为热带低压, 此时台风最大风速为14 m/s, 半径可达200 km, 移动速度为30 km/h。23日12时中心逐渐向东北方向移动离开东海。

2) 在0903号台风生消的21天里, 台风北进过程中前沿在6月18日和19日引起风机输出功率显著增加, 其中S4在18日18时达到最大值49.8 MW, S3在19日0时达到最大值50.2 MW。台风中心于22日进入东海后, 23日五个发电站的输出功率最低, 均低于5.5 MW。台风离境后受台风后沿影响, 在6月27日和28日再次引起风机输出功率显著增加, 其中S3和S4在27日6时分别达到最大功率76.2 MW和45.2 MW。

3) 唐山市海港区S1站单机运营能力最低(64.3%)且额定容量最低(0);嘉兴市平湖县S4站单机运营能力最高(88.1%); 南通市如东县S3站单机运营能力最大(13.1%)。0903号台风过境整个过程中, 风速未超过风机的切出风速, 对我国东部海洋风力发电场, 提高了发电量。

致谢: 感谢CCMPv2.0和台风轨迹数据的提供平台, 感谢两位评审老师为文章修改提出宝贵意见。