湍流强度时间序列的分析与研究

1.湍流强度定义

湍流强度（Turbulence Intensity，TI)是用来评价风速波动情况的指标，风速波动越剧烈，湍流强度越大，习惯上常简称为湍流。湍流是风力发电机不喜欢看到的，因为风机的载荷随着湍流强度指数增长，因此研究湍流强度就成了风资源工程师最重要的任务之一。

显然，标准差符合湍流强度的概念。标准差是相对于同一组样本的平均值而言的，同理湍流强度是相对于与其对应的平均风速而言的，即其定义为

湍流强度是一个无量纲的量。由于平均风速在分母上，而一般来说同一坐标位置的风速标准差变化幅度小于平均风速的变化幅度，因此平均风速越大时湍流强度通常越低，如图4-2所示。把一个连续时间段内所有湍流强度值按时间排列的序列称为湍流强度的时间序列。

如果发现湍流强度在大风时有逐渐升高的趋势，则需要特别注意，因为将给风力发电机带来严重的载荷负担。地形特别复杂的陆上风场和海上风场可能出现这种情况。海上风场发生这种情况是由于海面是动态的，风速越大海面波浪越剧烈，激起的空气湍流也越大。对于陆上风场，由于地形原因情况变得更加复杂，需要具体问题具体分析。

图4-2 湍流强度与平均风速曲线

2.趋势化的湍流强度

如果求值周期内，瞬时风速有逐渐升高、或降低、或先升高后降低等变化趋势时（如图4-3所示)，用式（4-3)求得的湍流强度就会产生失真而异常升高。因为越靠近两端的数据点与平均值的偏离越大，从而拉大了整体的标准差。(www.xing528.com)

图4-3 有线性升高的趋势的瞬时风速样本（虚线为平均风速，实线为趋势线)

天气突变时常发生这种情况，导致在10min内风速逐渐升高，并常伴有风向的大幅转向（如冷空气来袭)。在分析风数据的时候可以结合风向和温度数据进行分析。

这种情况的湍流强度可以在高平均风速下达到30%以上，形成一个尖峰。之所以称其失真是因为，10min内风速有规律的变化对于风机来说通常是有足够的时间进行响应的，例如调整桨距角，因此不会对风机造成额外载荷。再者，这种有规律的风速变化过程显然不是随机的。

对于某一风速下的平均湍流强度来说，因为用来平均的数据点很多，通常可以不考虑趋势化湍流失真的影响。但是在计算50年一遇的极端湍流强度时，则必须将失真的湍流强度数据剔除掉，称作去趋势化，否则将造成计算错误。

3.求平均值周期与湍流强度

理论上任何波形都可以通过傅里叶变换分解成若干不同波长和振幅的正弦波，风速变化波形也一样。可以把正弦波的频率理解为求值周期，而振幅理解为该周期下的平均风速大小。同一正弦波内，一个周期的曲线积分为0，因为正负正好抵消，这相当于通过求和把风速中的随机部分中和掉了。因此求值周期的选取应该根据感兴趣的随机变量周期而定。

风速波形看似杂乱无章的，却也不乏规律可循，可以找到不同周期的规律性变化。比如以年为周期的规律性变化。有些变化周期需要数年，比如厄尔尼诺和拉尼娜现象，而湍流的周期几乎都在1h之内。湍流也就是风速中随机的部分。因此为了达到把随机部分从平均风速中分离出来的目的，计算湍流强度的求值周期不应超过1h。而对于风力发电来说，1小时又似乎太长，因为湍流强度是用来评估风机载荷的。究其原因，是由于一些频率过快的风速波动，也就是湍流，风机不能及时调整姿态应对，而对风机机械结构造成硬冲击而产生载荷。而对于1h的风速变化，风机本身是有足够时间应对的。因此，我们通常把求值周期定为10min是经过深思熟虑的，也是IEC标准的基础。

可以想象，不同求值周期的湍流强度是不一样的。原始测风数据中的平均风速和标准偏差也显然不能反映风的全貌，很多细节被模糊掉了。在一些特殊的风电场案例中，有必要用“放大镜”对10min内的风速变化情况进行研究，并运用一些快速采样的观测方法，比如激光测风仪。