风电场中基于湍流强度的风向变化理论研究

风电场中基于湍流强度的风向变化理论研究

摘要：本文尝试从风速的湍流强度与风向的变化关系进行分析，说明风向的变化与横向湍流强度有关。在大气稳定度为中性的条件下对风速场的模型进行论证，并对复杂地形条件下的风速场进行了探索，为更精确的预测风向变化提供了方向。

关键词：横向湍流强度；风向变化；风速模型；风向模型

1.引言

风向的变化是由其所在地理位置、全球和当地的气候状况以及地球自转的影响决定的，特别在临海、山谷甚至城郊相邻地区，风向在白天和黑夜会发生变化。

以“山谷风”为例，白天山坡及山顶上接受较多的太阳辐射，空气温度升高较快，因温差效应导致山坡上的热空气不断膨胀上升，在山顶近地面处形成低压，流向谷地上空，谷地上层空气不断下沉，在山谷地面形成高压，谷地的空气则沿山坡向山顶补充，即在山坡与山谷之间形成热力环流，即为山谷风。到了夜间，热力环流正好相反，即风向发生与白天完全相反的变化。

风向不仅在时间上发生较大变化，在任一位置和其他位置也不尽相同，为研究风电场中风向在空间上和时间的变化，需要建立风速（风向）的变化模型。在风电场中，确定场内各机位在时间和空间上的风向对风电场的设计、运行具有重要意义。

2.风速和湍流强度表示方法

尽管风力发电机的偏航系统会保持风轮始终对准平均风速的主导风向，但风向的短期波动会增加疲劳荷载。特别是在大风的情况下（>12m/s），风力发电机的风向突然变化会造成极端荷载快速增加。

决定风电机组负荷的风况特性通常是由现场所测的10min平均风速U10min结合其标准偏差来表示，10min中的平均风速的变化往往服从威布尔（weibull）分布，而风速的标准偏差反映了10min内风速的自然变化，即指风速的湍流强度的标准偏差，U10min为当前风速对应的湍流强度，一般而言，服从对数正态分布，即式中：为标准高斯累积分布函数，b0、b1为受U10min影响的场址有关系数，受地表粗糙度和地形高度的影响。

3.横向和垂直方向的湍流强度模型研究

在10min时间内，假设静态的风况是主要的，即较短的时间内认为U10min和是恒定的，这在工程上认为是可靠的和满足技术要求的，但在特殊的风况下，如台风、飓风甚至当某些特定的微地形加速条件下，仅靠U10min和 表示是