针对于风能资源的开发利用来讲，区域的风能资源评估是由各级政府主管部门下达的任务，其对象是政府所辖行政区域的风能状况，目的是找出风能资源较丰富的区域，重点对这些小区域的资源状况进行分析和分类，以便规划开发。风电场的风能资源评估是由风电开发企业确定的具体开发项目的可行性研究报告的重要组成部分，其对象是地方政府为风电开发企业指定的预开发区域，是在风电企业经场址现场完整一年观测后进行的风能资源评估，目的是确定该场址是否可开发，可开发的要计算主要风能参数，给出常年代评估结论、风电场开发容量、注意预防的主要气象灾害等。

我国目前的风电场的风能资源评估是采用统计与微尺度数值模拟相结合的方法对某风电场场址范围内的风能资源相关参数计算分析，用图表、文字精细化的描述该风电场的风资源状况，并给出应预防气象灾害强度、风电机组选型建议等。风电场风能资源评估工作的流程如图5.3.

图5.3 风电场风能资源评估工作的流程图

5.2.2.1 数据资料收集处理

风电场测风数据的处理是风电场风能资源评估的前期工作，目的就是为风电场风能资源评估准备一套完整的、合理、有效的数据。

资料收集整理是风电场风能资源评估必不可少的前期工作，目的是整理出一套能用于该风电场风能资源评估的资料。基于目前我国风电场风能资源评估工作的技术和方法，应收集的资料有：

（1）收集风电场附近气象站资料，内容参照参证气象站的内容。

（2）收集风电场前期工作中的场址测风资料包括各测风塔原始观测数据、密码、解读软件、观测数据说明等（由风电开发企业提供）。

（3）如果预选风电场附近有国家风能资源专业观测网的测风塔，要收集该测风塔的同期逐时的观测资料（由风电开发企业提供）。

（4）收集与预选风电场相关区域边界、地形地貌、电网、交通、土地规划、环保等资料（由风电开发企业提供）。

风电开发项目场址观测根据场址规模、地形等实际情况可以设一个或多个测风塔。所获取的场址测风数据在使用前，应由区域气象主管机构对场址观测数据进行审核，即对数据的代表性、完整性、合理性、有效性进行检验。

代表性检验可以通过测风塔的位置是否能够代表场址的风况，及测风塔的周边环境是否影响观测数据来判断的。完整性检验是查找并记录所有数据观测的断点，并记录其起始位置，统计数据缺测数目。合理性检验包括数据的极值范围检查、一致性、趋势性和相关性检验。剔除由于仪器故障、传输错误、特殊天气等原因造成的不真实数据；剔除数据后记录所有断点起始位置，统计无效数据数目。有效性通常指场址测风数据的有效数据完整率，风电开发项目要求测风数据有效数据完整率应达到90%以上，其计算公式为式（5.1）。

风电开发项目测风数据的订正分为两类。一是气象参证站数据的订正，这类数据主要考虑台站迁移、仪器变更、观测高度变化、台站周边环境影响等，具体方法见（5.1.1）；其目的是为了确保参证站数据的一致性。二是风电场址实测数据的订正，这类订正主要考虑观测仪器自身的灵敏程度和观测环境包括塔体的影响。观测仪器在出厂时应具有产品合格证和检定证书，其检定证书中明确了仪器的观测误差，在考虑仪器的灵敏程度订正时，通常是以一分段线性函数来计算的：

      （5.27）

式中，y订正后的风速值,x为实测值,a、b为订正系数。

对于风电场址观测环境的影响通常主要是指：一是观测前和观测中比较，观测环境发生了很大变化，对观测数据产生了较大影响；如在丘陵和山地的测风塔，观测前，对周边数目进行了砍伐处理，但半年以后植被恢复等,这种情况目前是选择较近且地形相近的测风塔同层次数据进行订正。二是测风塔塔体本身对观测仪器的影响，通常测风仪器是安装在与主导风向垂直方向上，但在观测中会有风向会有来自仪器到铁塔连线的方向上，这时的风速数据由于受塔体的遮挡而会减小。目前风电企业这对这种情况采用在主要观测层次水平面上设置两套互相垂直的观测设备，其中一套设备垂直于主导风向，作为主观测设备；另一套安装于平面内与第一套设备成90°角的方向上，为辅助观测设备。当塔体遮挡仪器时，用辅助设备观测数据代替主设备观测数据，从而解决这种数据的订正问题。其他层次的观测数据可根据该塔测风数据统计出的风垂直变化情况结合主要观测层数据反推而得到。

风电场风能资源评估的要求：所选测风塔观测数据应尽可能在同一时段内，观测时间满一整年，测风塔数据的有效数据完整率在90%以上。收集的数据首先要剔出不符合上述要求的测风塔数据。测风塔因大部分安装在野外，由于设备更换、灾害影响等，其资料可能存在一些不合理或缺测数据，对这些数据应进行插补。

在数据插补前，需要从其周边具有长时期历史观测资料的国家气象站中筛选出一个合适的气象站，作为短期观测塔的参证气象站（简称参证站），用以为相应测风塔资料的插补订正、长年代风资源评估、50年一遇重现期风速推算和其它气象灾害风险评估以及该地基本气候概况分析等提供历史数据。

参证站筛选原则，根据《风电场风能资源评估方法》（GB/T 18710-2002）、《风电场气象观测及资料审核、订正技术规范》(QX/T 74—2007)等规范要求以及区域气候代表性原理，参证站一般要具备以下几个条件：

（1）具有详细的台站沿革信息，包括：观测记录数据的测风仪型号、安装高度和周围障碍物情况(如树木和建筑物的高度，与测风杆的距离等)，以及建站以来站址、测风仪器及其安装位置、周围环境变动的时间和情况等。在收集长期测站的测风数据时应对站址现状和过去的变化情况进行考察。

（2）具备较完整的历史观测数据，包括：

1）有代表性的连续30年的逐年平均风速和各月平均风速。

2）与风场测站同期的逐小时风速和风向数据。

3）累年平均气温和气压数据。

4）建站以来记录到的最大风速、极大风速及其发生的时间和风向、极端气温、每年出现雷暴日数、积冰日数、冻土深度、积雪深度和侵蚀条件（沙尘、盐雾）等。

（3）具备与测风塔同期的逐小时测风数据。

（4）与测风塔距离较近、相关性较好，且气候特性相似。

参证站的选取方法：根据测风塔和参证站观测数据进行统计分析，看两者主要气象要素的年变化、月变化、日变化是否一致。再计算具有相似气候特性的测风塔和参证站的相关系数，并用F函数检验（详见5.1.1节）。

通过显著性检验后，即可对有缺测和无效数据的测风塔逐个进行插补，具体方法为：

对于测风塔个别层次有缺测或无效数据时，一般同塔不同层次相关性比较好，宜采用同塔其它层有效完整数据利用对数函数或幂指数函数进行插补。

当测风塔所有层次有缺测或无效数据时，如果缺测风塔与位于附近地形特征相似的测风塔相关性显著，则采用相邻测风塔数据进行插补；如附近无测风塔，可选择附近气象台站（参证站）进行数据插补：选取同期观测时段内日平均风速样本，计算测风塔某高度的平均风速与相应参证站某高度平均风速的比值k，见公式（5.3），则可以利用参证站相应时段的风速数据推算出缺测或无效数据。

5.2.2.2 风电场风能资源评估的主要内容和参数

广东省气候中心自90年代中期开始着手自主研制开发“风能资源计算评估系统”。根据我国风电场建设的新需求和国际风电发展趋势，对“风能资源计算评估系统”进行不断改进和完善，先后为近20个大型风电场项目的可行性研究提供计算评估成果，同时在实践应用中进行严格检验，并逐步与国际标准和规范相衔接。目前正式推出的V1.0版所提供的计算评估成果，可以满足风电场（预）可行性研究报告编制、区域风电规划和选址需要。“风能资源计算评估系统”在全国风能资源详查与评估中广泛使用。

“风能资源计算评估系统”可实现数据质量控制、数据格式转换、插补订正、各项风能参数计算。其中风能参数计算包括空气密度、湍流强度、平均风速、平均风功率密度、有效风功率密度、风向频率、风能频率、有效小时数、威布尔分布参数、风切变等各项参数计算，并能以图、表的结果形式自动生成excel、word文档，方便用户进行评估报告的编写。还能用相似法、十六方位相关法对短期测风塔数据进行长年代订正、评估和代表年各项风能参数统计。

风电场风能资源评估要计算的参数主要有空气密度、年（月）平均风速、年（月）平均风功率密度、有效风功率密度、风向频率、风能频率、有效小时数、风切变、湍流强度、50年一遇最大风速等。计算方法如下：

（1）空气密度

目前，一般的预选风电场都具有10m高度的气温、湿度及气压（8.5m）观测，可按公式（5.6）计算其10m高度的空气密度（kg/m³）：

如要计算风机轮毂高度处的空气密度，但没有测风塔轮毂高度处的气温、气压和水汽压观测，或只具有部分项的观测资料气温、水汽压，但有10m高度的观测数据时，先用上式计算10m高度的空气密度，然后采用下式进行风机轮毂高度空气密度推算：

      （5.28）

式中, 为为轮毂高度的空气密度， 为实际观测高度10m处的空气密度。

（2）平均风速

在风电场的风能资源评估中，平均风速按公式（5.4）计算（单位：m/s），应计算年平均风速、各月平均风速以及各整时的平均风速。

（3）风功率密度

风电场风机轮毂高度年平均风功率密度（）、月平均风功率密度（）(单位：W/m²)可参考公式（5.5）计算。

（4）有效风功率密度：是指月、年时段内，风速在3～25m/s区间的平均风功率密度(W/m²)。

（5）风能密度为风电场在设定时段与风向垂直的单位面积中风所具备的能量，计算公式为：

      （5.29）

式中：为设定时段的风能密度（W•h/m²）；

m为风速区间数目；

ρ为空气密度（kg/m³）；

为第j 个风速区间的风速（m/s）值；

为某扇区或全方位第j个风速区间的风速发生的时间（h）。

（6）风速频率

以1m/s为一个风速区间，统计风机轮毂高度每个风速区间内风速出现的频率。每个风速区间的数字代表中间值，如6m/s代表风速区间为5.6m/s到6.5m/s。

（7）风向频率

根据轮毂高度风向观测资料，按16个方位统计观测时段内（年、月）各风向出现的小时数，除以总的观测小时数即可得到各方位的风向频率。

（8）风能方向频率

根据风机轮毂高度风速、风向逐时观测资料，按不同方位（16个方位）统计计算各方位具有的能量，其与总能量之比作为该方位的风能频率。计算年风能方向频率参照公式（5.7）。

（9）有效小时数：轮毂高度测风序列中风速在3～25m/s之间的累计小时数。

（10）湍流强度

风电场的湍流特征很重要，因为它对风电机组性能和寿命有直接影响，当湍流强度大时，会减少输出功率，还可能引起极端荷载，最终削弱和破坏风电机组。值在0.10或以下表示湍流相对较小，中等程度湍流的值为0.10～0.25，更高的值表明湍流过大。对风电场而言，要求湍流强度值不超过0.25。10min湍流强度公式：

      （5.30）

式中，为湍流强度；σ为10min风速标准差（m/s）；V为10min平均风速（m/s）。

风电场的湍流强度计算，要计算风机轮毂高度风速为15m/s的湍流强度，公式同上，其中V =15m/s。根据2005 版IEC61400-1规定，按风机轮毂高度风速为15m/s的湍流强度将风机分为A、B、C 三级（表5.1），其中A 级为高湍流强度（0.16），B 级为中等湍流强度（0.14），C 级为低湍流强度（0.12）。

（11）风切变

风电场测风数据的风速随高度的变化即风切变，一般用幂定律拟合，计算风切变指数α。根据风切变指数和仪器安装高度测得的风速可以推算出近地层任意高度的风速。其表达式为：

      （5.31）

式中：为高度处的风速（m/s）；为高度处的风速（m/s），一般取10m高度；α为风垂直切变指数，其值的大小即表明了预选风电场风速垂直切变的强度。

（12）50年一遇最大风速（)

50年一遇10分钟平均风速（简称最大风速）是风电场规划建设需要考虑的一个重要参数。一般情况下，由于地理位置和地形的差异，测风塔和参证站风状况存在差异，多数测风塔比对应的参证站风速大，因此，不能用参证站50年一遇风速代替测风塔50年一遇最大风速，需要修正。

通常参证站风速的年最大值x 采用极值I型的概率分布，其分布函数为：

      （5.32）

式中，u为分布的位置参数，即分布的众值；α为分布的尺度参数。

分布的参数与均值μ 和标准差 σ的关系按下式确定：

      （5.33）

      （5.34）

      （5.35）

      （5.36）

其中，为为连续n 个年最大风速样本序列（ n≥15），系数 和 见下表：

表5.3 系数 和 对应表

若记1981～2010年的年最大风速序列为： 、 、 、… ，，则 μ、 σ按下式计算：

      （5.37）

      （5.38）

则

      （5.39）

      （5.40）

测站50年一遇最大风速 按下式计算：

      （5.41）

上述方法为估算有长期资料的气象站10m高度50年一遇10min最大风速，实际应用中，应推算到测风塔或者风电场风机轮毂高度处。常用的方法有2种：

一种方法是利用气象站10m高处最大风速与风电场10m高处的最大风速找相关，按所求的相关公式计算风电场10m高处50年一遇的最大风速，再由风电场最大风速的切变指数推算到任一高度50年一遇最大风速。这种方法的好处，不受风电机组轮毂高度的限制。如测风塔70m、若轮毂高度90m可以直接推算。

另一种方法是计算气象站10m高处最大风速后，直接用气象站10m高处最大风速与风电机轮毂高度最大风速求相关，通过气象站的50年一遇最大风速，经由日最大风速相关，得到风电场场址轮毂高度50年一遇最大风速。

由于抗风计算主要关注大风，因而，在满足统计样本数量的前提下，从观测年度测风塔日最大风速序列中挑选大风速样本，以及对应时刻参证站日最大风速，并进行相关性检验。假设共挑选 n 对样本，计算测风塔日最大风速与参证气象站日最大风速的比值，计算 n 个比值的平均值 a。假设测风塔观测年度参证站年最大风速订正后与订正前的比值为 b，则测风塔50年一遇最大风速修正系数k=a/b 。对应参证气象站10m高度50年一遇最大风速为 ，测风塔轮毂高度50年一遇最大风速 可写成：

      （5.42）

（13）Weibull分布参数k、c的估算

风电场通产采用以平均风速和标准差估算Weibull两个参数。以轮毂高度平均风速 估计μ，以标准差 估计σ，具体方法详见区域风能资源评估中的算法。

5.2.2.3 风能资源参数的数值模拟

中国气象局在2007年启动的全国风能资源详查与评价项目中推荐采用中尺度气象模式或中尺度与小尺度结合的模式系统进行风能资源的短期数值模拟。推荐使用模式：MM5，WRF，RAMS，GRAPS-MESO、MM5/CALMET等。大多数省份选择了MM5/CALMET模式。

MM5是二十世纪七十年代由Anthes在宾州大学建立的中尺度模式（MM2，MM4）发展来的，MM5已经被公认是高水平的中尺度数值模式，成为国内外应用相当广泛的一个中尺度数值预报模式。CALMET是CALPUFF区域大气质量数值预测评价模式的前处理部分，是边界层风场诊断模式，是利用质量守恒原理对风场进行诊断，是一个包括地形动力效应、地形阻塞效应参数化、差分最小化和一个用于陆面和水面边界条件的计算混合层高度、稳定度、海陆风环流、山谷风环流等的基于3D网格点的边界层气象学模型。CALMET对客观分析场（MM5预测输出气象要素、常规监测的地面和高空气象要素）进行地形动力学、倾斜流、热动力学等诊断分析。以发散最小化原理求解三维风场，根据湍流参数化方法，计算湍流尺度参数。目前，该模式在国内外环境影响评价领域有着广泛的应用，主要用于边界层大气扩散气象场模拟。

风电场数值模拟所需资料：

地形地表资料：地形资料需采用1：250000的地形数据，或30秒水平分辨率的USGS资料，或SRTM3资料；Landuse数据需用30秒水平分辨率的USGS资料。

第一猜值场：采用全球环流模式背景场资料，如：NCEP、T213、AVN等客观分析场。

常规气象资料：中国气象局常规探空和地面观测资料。此外，有条件的项目承担单位，还可使用地面自动站资料。

风电场的数值模拟工作可以得到高分辨率的风能资源模拟计算结果。主要有每小时输出一次距离地面150m高度范围内每10m间隔高度层上、每个格点上的风向、风速以及地面温度、相对湿度和气压。输出时间为正点时间，即北京时09，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，第二日01，02，03，04，05，06，07，08。

根据模式输出结果，可分析计算各网格点的年和月平均风速、平均风功率密度、风速Weibull分布参数A、K值和年平均有效小时数，以及年风向频率、风能方向频率和风速频率、风能频率分布等。

在风电场风能资源评估中工程界大量使用的含有微尺度数值模拟技术的评估软件，如WASP、WindFarmer、WindPRO 、WindSim 、WT等。

5.2.2.4 长年代评估

将现场的测风资料根据风场附近长期站的观测数据订正为一套能反映风场长期平均状态的代表性数据。

对于风的长年代评估，选择一个有代表性的“参证站”是客观分析的关键， 在满足条件的参证气象站中，逐个进行相关分析，选相关性最好的气象站作为风场观测数据订正的参证站。根据有的省经验，往往一个参证站相关性不好，也不稳定，可以考虑采用气候条件相似的区域相关。

用于风电场长年代风能资源评估的方法通常有两种：相似法和16方位订正法。

相似法。是根据参证气象站历年平均风速和参证气象站观测年度年平均风速数据进行长年代评估，参证气象站历年平均风速应根据气象站的测风历史沿革中测风场址搬迁、测风仪器换装和测风仪距地面高度等的变化，考虑对年平均风速进行一致性订正，在此基础上风速才具有可比性。

从参证气象站历年年平均风速中选取对应的样本数，计算平均风年的年平均风速指标值，然后给出参证气象站观测年度年平均风速与平均风年的相对差值百分比：

      （5.43）

式中，V 为参证气象站观测年度的年平均风速， V´ 为参证气象站平均风年的年平均风速指标值。

由于认为拟选风电场的风速与参证气象站风速的变化具有相似性，因此根据参证气象站观测年度年平均风速较平均风年的相对差值百分比，推算出拟选风电场各测风站平均风年的订正系数，将观测年度风速序列订正到平年，再计算长年代风能参数。

16方位订正法。主要是作风场测站与对应年份的长期测站各风向象限的风速相关曲线。某一风向象限内风速相关曲线的具体做法是：建一直角坐标系，横坐标为长期测站风速，纵坐标为风场测站的风速。取风场测站在该象限内的某一风速值（某一风速值在一个风向象限内一般有许多个，分别出现在不同时刻）为纵坐标，找出长期测站各对应时刻的风速值（这些风速值不一定相同，风向也不一定与风场测站相对应），求其平均值作为横坐标即可定出相关曲线的一个点。对风场测站在该象限内的其余每一个风速重复上述过程，就可作出这一象限内的风速相关曲线。对其余各象限重复上述过程，可获得16个风场测站与长期测站的风速相关曲线。

对每个风速相关曲线，在横坐标上标明长期测站多年的年平均风速，以及与风场测站观测同期的长期测站的年平均风速，然后在纵坐标轴上找到对应的风场测站的两个风速值，并求出两个风速值的代数差值（共有16个代数差值）。

风场测站数据的各个风向象限内的每个风速都加上对应的风速代数差值，即可获得订正后的风场测站风速风向资料。

5.2.2.5 风能资源评估等级标准

风功率密度蕴含着风速、风速频率分布和空气密度的影响，是衡量风电场风能资源的综合指标。风功率密度等级在目前的国家标准“GB/T 18710-2002风电场风能资源评估方法”中给出了7个级别，如表5.4。

表5.4 风功率密度等级表

我国位于欧亚大陆西风带主要通道，既是风能资源丰富的区域，同时也是台风、沙尘暴、低温、积冰等灾害性天气频发的主要区域。寒潮和强冷空气出现的冬季，我国东北、新疆、内蒙古等地易出现-30℃以下低温天气，当出现-30℃以下低温天气时，风机将停止运行发电；贵州、云南东北部、新疆的部分地区、东北的部分地区是出现雨凇、雾凇的主要区域，在这种天气条件下，风机机翼负荷将加大，改变风机转速，影响发电效率；另外，在海南、广东、广西、云南南部以及四川西部等雷暴多发地区，风机遭受雷击的几率大为增多；广东、海南、福建等省的热带气旋达到一定强度时，其中心巨大的风速和湍流将会对风机形成威胁。

因此，在开发利用风能资源时，不仅要对各地的资源分布情况进行评估，同时也要充分考虑相关气象灾害的影响，以趋利避害，确保风电场在设计、施工和运行等方面得以正常进行。

风电场的气象灾害影响评估，首先要根据风电场所在地域的主要气候特征分析可能出现的气象灾害；利用地域内气象台站的历史数据分别统计分析灾害发生的主要时段、频次、强度等；按气象灾害的频次、强度及对风电场的影响程度对灾害进行分类，按影响的程度大致分为:

（1）破坏性的，对设备会造成损坏的；

（2）影响较大的，对电场运行有较大影响；

（3）有一定影响的，对电场的建设、运行维护有影响的。

最后，按上述内容提出建设要求和防护建议。值得注意的是，风电场气象灾害影响评估，不是大区域内（国家或省）气象灾害评估极值的罗列，而应是针对具体的小范围风电场址做深度综合分析；再者要注意气象灾害的区域分布特征，就某种气象灾害而言，在一地风电场的风能资源评估中为破坏性灾害，而在另一个风电场的评估中，可能不是灾害。

风电场的风能资源评估报告是专业性较强的关于风能资源开发前期工作的具体风电场风能时空分布特征分析的技术报告，风电场的风能资源评估工作通常是由风电开发企业根据需要提出项目任务，由区域气象主管业务部门负责项目实施完成，主要目的是为风电场区域的风能资源开发提供资源可行性论证。风能资源评估报告为风电场风能资源评估工作的主要成果，其内容主要包括：项目概述、项目评估依据、风能观测及资料处理、风能资源参数计算分析、数值模拟、灾害影响分析与综合评估等。

项目概述主要说明预选区域的社会、经济、风气候背景等，说明项目、任务来源，项目的主要目的，工作内容和主要结论等。项目评估依据表述的是风能资源评估报告编制工作所依据的文件、相关标准、规范和技术指南等。风能观测与资料处理要表述用于风能资源评估的风能观测站点布局、观测内容、仪器性能、和资料的精度等以及用于风能资源评估工作的资料的审核、插补、订正等的技术和方法。风能资源参数计算分析表述的是风能资源评估中所涉及到的参数的计算方法、指标、计算结果，以及计算结果的时空分布特征分析等。数值模拟主要表述数值模拟采用的方法和得出的结论。灾害影响分析与综合评估表述区域内对风电开发有影响的主要气象灾害的频次和强度及可能的应对预防措施和建议，给出综合评估结论和建议。