風(fēng)電場(chǎng)微觀選址需要注意的問題

趙瑞

【摘要】各種地形條件下微觀選址需要注意的事項(xiàng)。平坦地條件下采取什么樣的排布方式降低風(fēng)電場(chǎng)的整體尾流，如何在復(fù)雜地形條件下提高風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量及發(fā)電量？

【關(guān)鍵詞】微觀選址；平坦地形；復(fù)雜地形；尾流；發(fā)電量

引言：

風(fēng)電場(chǎng)微觀選址地形條件基本分為簡單地形條件和復(fù)雜地形條件，其各自微觀選址所需要考慮的側(cè)重點(diǎn)不同；簡單地形如：我國的甘肅酒泉地區(qū)、新疆達(dá)坂城地區(qū)等，像這樣的地形條件下尾流影響整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，同時(shí)單機(jī)尾流過大對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的長期運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，優(yōu)化布置風(fēng)電場(chǎng)時(shí)需要整體考慮排布問題，使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的尾流最小，發(fā)電量達(dá)到最大化；復(fù)雜地形條件如：我國東北地區(qū)，像這樣的地形條件下微觀選址應(yīng)綜合考慮發(fā)電量、道路、尾流、湍流、機(jī)組吊裝等技術(shù)指標(biāo)。關(guān)于各種地形條件下的風(fēng)電場(chǎng)微觀選址，需注意問題如下：

一、風(fēng)資源計(jì)算軟件的選擇

目前計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量的主流軟件大致分為兩類：一類是基于線性模型下的軟件，如WAsP、Windfarmer和Windpro等；另一類是基于CFD模型下的軟件，如Windsim和美迪順風(fēng)WT等軟件；計(jì)算簡單地形條件下的發(fā)電量，基于線性模型下的軟件能很好地反映該地區(qū)的風(fēng)況；當(dāng)?shù)匦螚l件較為復(fù)雜時(shí)，如當(dāng)坡度大于17度時(shí)，風(fēng)刮過坡頂時(shí)會(huì)存在氣流分離現(xiàn)象，基于線性模型下的軟件不能完全反應(yīng)該風(fēng)況，直接導(dǎo)致發(fā)電量計(jì)算存在較大的誤差，最大誤差甚至達(dá)到30％；基于CFD模型下的軟件能很好的反應(yīng)該風(fēng)況氣流分離現(xiàn)象，電量計(jì)算誤差相對(duì)較小。在不同地形條件下，應(yīng)選擇適合該地形條件下的軟件模型計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各技術(shù)指標(biāo)。

二、風(fēng)資源計(jì)算軟件的使用

（一）數(shù)字化地圖

一般條件下均無已數(shù)字化的測(cè)量地形圖，一般方法：把購買的1：5萬的地形圖掃描后，人工數(shù)字化；由于各工程師的操作方法各異，可能導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)字化等高線與實(shí)際位置誤差較大，導(dǎo)致建模失敗。故在處理地圖時(shí)務(wù)必選擇最佳的辦法來保證自己數(shù)字化地圖的準(zhǔn)確性。同時(shí)最后的等高線地圖必須向風(fēng)電場(chǎng)各方向外延5km，至少得2km，保證測(cè)風(fēng)塔在外推到每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)有足夠多的地圖信息

微觀選址之前，務(wù)必采集到與地形圖相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系下測(cè)風(fēng)塔準(zhǔn)確的地理位置坐標(biāo)，否則可能導(dǎo)致計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的平均風(fēng)速和年發(fā)電量誤差較大。

（二）粗糙度的設(shè)置

粗糙度設(shè)置的不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致軟件計(jì)算發(fā)電量與實(shí)際產(chǎn)出誤差較大。因此，在微觀選址前必須到現(xiàn)場(chǎng)踏勘，了解擬建風(fēng)電場(chǎng)地貌。在現(xiàn)場(chǎng)踏勘前可以以風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔為圓心，以測(cè)風(fēng)塔到擬建風(fēng)電場(chǎng)最外沿并外延5km為半徑做圓，把此圓平分16象限，通過地圖信息分別設(shè)置16象限粗糙度；到現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)復(fù)核個(gè)象限的粗糙度。定義完粗糙度后，載入計(jì)算機(jī)反復(fù)進(jìn)行核算，直到得到最優(yōu)的粗糙度數(shù)值。

（三）Weibull擬合修正

測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)建立Tab文件，一般采用Weibull擬合，擬合風(fēng)速和實(shí)際風(fēng)速有偏差，需要修正；發(fā)電量計(jì)算時(shí)需考慮本部分的擬合誤差。

三、測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理和風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要性能指標(biāo)

（一）磁偏角

目前國內(nèi)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)向儀安裝方向一般為磁北；磁北與真北方向的夾角，稱為磁偏角。我國東北地區(qū)磁偏角較大，達(dá)到10度左右。若不進(jìn)行磁偏角修正，可能導(dǎo)致計(jì)算主風(fēng)向和主風(fēng)能方向與實(shí)際方向相差一個(gè)象限，可能導(dǎo)致在此基礎(chǔ)上優(yōu)化出來的最優(yōu)發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量誤差較大。因此，在處理數(shù)據(jù)前，必須進(jìn)行磁偏角修正。

（二）輪轂高度極限風(fēng)速和平均風(fēng)速

為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全和長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)需要考慮運(yùn)行環(huán)境和電力環(huán)境的影響。運(yùn)行環(huán)境可進(jìn)一步劃分為風(fēng)況和其它外部條件。各類外部條件可細(xì)分為正常外部條件和極端外部條件。正常外部條件通常涉及到長期結(jié)構(gòu)載荷和運(yùn)行條件，該指標(biāo)主要體現(xiàn)在輪轂高度年平均風(fēng)速；極端外部條件出現(xiàn)的機(jī)會(huì)很少，但它是潛在的臨界外部設(shè)計(jì)條件。該指標(biāo)主要體現(xiàn)在輪轂高度50年一遇最大風(fēng)速和極大風(fēng)速。

為了最大限度的利用特定風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源，同時(shí)保證風(fēng)電場(chǎng)的安全可靠運(yùn)行IEC61400-1對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行安全分級(jí)。IEC61400-11999第2版風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等級(jí)劃分如下：

I₁₅：表示風(fēng)速為15m/s時(shí)的湍流特征值；

在IEC61400-12005第3版中取消了輪轂高度年平均風(fēng)速指標(biāo)；只考慮輪轂高度50年一遇10min最大風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的湍流強(qiáng)度。但咨詢國內(nèi)外風(fēng)機(jī)制造商，其風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)仍然考慮了輪轂高度年平均風(fēng)速；個(gè)人認(rèn)為在微觀選址過程中，必須綜合考慮輪轂高度50年一遇10min最大風(fēng)速、輪轂高度年平均風(fēng)速和輪轂高度湍流強(qiáng)度這3個(gè)非常重要的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)指標(biāo)。

（三）湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度是描述風(fēng)速隨時(shí)間和空間變化的程度，反映脈動(dòng)風(fēng)速的相對(duì)強(qiáng)度，是風(fēng)速、風(fēng)向及其垂直分量迅速擾動(dòng)或不規(guī)律性，是重要的風(fēng)況特征。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所承受的有效湍流強(qiáng)度是由環(huán)境湍流和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相互之間影響所產(chǎn)生的附加湍流這兩部分組成。湍流強(qiáng)度是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中承受的正常疲勞載荷，是IEC61400-1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全的重要參數(shù)之一。風(fēng)電場(chǎng)湍流強(qiáng)度非常重要，其對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能有不利影響，主要是減少輸出功率，還可能引起極端載荷，最終削弱和破壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在復(fù)雜地形條件下，由于受地形條件的影響，環(huán)境湍流較大，故在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型過程中需要慎重考慮湍流指標(biāo)，同時(shí)在微觀選址時(shí)，應(yīng)該避開環(huán)境湍流較大的區(qū)域，如：背風(fēng)坡等。

四、方案優(yōu)化

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商為保證其機(jī)組在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)安全運(yùn)行，規(guī)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最小排布必須保證垂直于主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)?D（D為葉輪直徑），平行于主導(dǎo)風(fēng)向5D。但從業(yè)主自身角度看，追求投資最小化，利潤最大化為其終極目標(biāo)；在微觀選址必須在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商和投資業(yè)主之間平衡，在滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全要求的前提下，優(yōu)化排布盡量使風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量最大，投資最小。

（一）排布方案選擇

1.簡單地形

簡單地形條件舉例如下：我國新疆某地一49.5MW風(fēng)電場(chǎng)，其輪轂高度風(fēng)向和風(fēng)能玫瑰圖見圖4-1：

風(fēng)向基本呈180度展開，風(fēng)能集中，有利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的排布。分別取常規(guī)的最大排布方式，垂直于主風(fēng)能方向5D（D為葉輪直徑），平行于主風(fēng)能方向9D的矩陣式排布（暫稱為排布方案一）；取非常規(guī)的排布方式（暫稱為排布方案二）；排布方式一扣除尾流后的凈電量為18332萬kW·h，排布方式二扣除尾流后的凈電量為18490萬kW·h，排布方式二的電量比排布方式一的電量高0.86％；同時(shí)由于排布方式二比排布方式一的排布緊湊，相對(duì)于排布方式一，其場(chǎng)內(nèi)集電線路和場(chǎng)內(nèi)道路的距離縮短，投資也下降。

在平坦地形條件下，在主風(fēng)向和主風(fēng)能方向較集中的風(fēng)電場(chǎng)，不應(yīng)該拘泥于常規(guī)的排布方式；可以適當(dāng)?shù)臏p小垂直于主風(fēng)能方向的距離，增加平行于主風(fēng)能方向的距離，不僅能增大風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，而且減小了風(fēng)電場(chǎng)的投資，使風(fēng)電場(chǎng)的效益達(dá)到最大。

2.復(fù)雜地形

我國東北擬建風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域均為較復(fù)雜的山區(qū)，山區(qū)植被較豐富，有的地方甚至為原始森林。由于山地地形較復(fù)雜，修建進(jìn)場(chǎng)道路和場(chǎng)內(nèi)道路投資較大，同時(shí)林區(qū)地區(qū)征地費(fèi)較高，兩項(xiàng)疊加在一塊，直接導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)投資增大。在復(fù)雜的山地地區(qū)，在滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)前提下，采取靈活的排布方式，最大化的利用有限的土地資源。

取東北某項(xiàng)目為例，取該項(xiàng)目的一處山脊作為比較對(duì)象，其測(cè)風(fēng)塔輪轂高度風(fēng)向和風(fēng)能玫瑰圖見圖4-2：

該山脊基本垂直于主導(dǎo)風(fēng)向，且主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)能方向較集中，在此條件下，比較靈活排布和傳統(tǒng)排布的優(yōu)點(diǎn)。由于擬建風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域地形較復(fù)雜，運(yùn)輸條件受到限制，擬選用850kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為比較排布的機(jī)型。眾所周知，在復(fù)雜地形條件下，垂直于主導(dǎo)風(fēng)能方向3D排布方式風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量最大。

在規(guī)定的區(qū)域范圍內(nèi)，按照垂直于主導(dǎo)風(fēng)能方向3D和小于3D排布風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，經(jīng)WT軟件定向計(jì)算后，運(yùn)用優(yōu)化排布軟件優(yōu)化得出：在規(guī)定區(qū)域范圍內(nèi)3D排布能裝機(jī)11臺(tái)，容量為9.35MW，小于3D排布能裝機(jī)16臺(tái)，容量為13.6MW。3D和小于3D排布兩者之間單機(jī)平均發(fā)電量相當(dāng)，兩者之間場(chǎng)內(nèi)集電線路和道路長度相對(duì)。但小于3D排布在有限的土地上增大了裝機(jī)容量，減少了單位千瓦風(fēng)電裝機(jī)分?jǐn)偟呐涮淄顿Y（項(xiàng)目前期費(fèi)、工程管理費(fèi)、修路與征地費(fèi)用、升壓站與送出工程）。

小于3D排布中16臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組尾流最大為6％，基本小于一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商規(guī)定的單機(jī)尾流小于8％的要求，且單機(jī)有效湍流強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

在復(fù)雜地形條件下，在主風(fēng)向和主風(fēng)能方向較集中，風(fēng)資源較好的布機(jī)區(qū)域不應(yīng)該拘泥于3D*5D最小排布方式，應(yīng)靈活選擇排布方式，最大限度利用有限的土地資源，增加裝機(jī)容量來減小單位千瓦配套投資。

在簡單地形和復(fù)雜地形條件下，分別根據(jù)其側(cè)重點(diǎn)指標(biāo)的不同，靈活的選擇排布方式，使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量最大，投資最小，盡量的增大風(fēng)電場(chǎng)的效益。

（二）人工調(diào)整風(fēng)機(jī)機(jī)位

如今的風(fēng)能評(píng)估軟件大多具有自動(dòng)布機(jī)方案的功能，只需要輸入相關(guān)的參數(shù)以后，軟件就會(huì)自動(dòng)的生成布機(jī)方案。此類軟件自動(dòng)布機(jī)原理為：首先軟件搜索到本風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)資源最好一點(diǎn)，軟件會(huì)自動(dòng)的固定住該位置，以后再搜索下一個(gè)風(fēng)資源稍差的位置，并鎖定該機(jī)位，如此反復(fù)，直到選完整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組點(diǎn)位。但該軟件只考慮到了風(fēng)資源情況，并未考慮到場(chǎng)內(nèi)集電線路和道路問題。復(fù)雜地形條件下，林區(qū)征地費(fèi)用較貴且不易征下來，在影響風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量不大的情況下，盡量使風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均處于較集中的位置，不要過于分散，達(dá)到減少場(chǎng)內(nèi)集電線路和道路的長度，減少相關(guān)的投資，以此來減少風(fēng)電場(chǎng)的總投資，使風(fēng)電場(chǎng)更短期的時(shí)間內(nèi)達(dá)到純盈利水平。

五、發(fā)電量計(jì)算

準(zhǔn)確、可靠的評(píng)估一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的年發(fā)電量對(duì)整個(gè)項(xiàng)目起著關(guān)鍵性的作用，直接關(guān)系到風(fēng)電場(chǎng)投資的成敗?？諝饷芏鹊南”∨c否直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率出力的大小。風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量的計(jì)算應(yīng)使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商提供的現(xiàn)場(chǎng)空氣密度下的功率曲線和推力曲線來計(jì)算整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量?？諝饷芏群惋L(fēng)功率密度成正比關(guān)系，但標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線和不同空氣密度下的功率曲線并不成正比關(guān)系。雖然有的軟件在內(nèi)部集成了一個(gè)考慮空氣密度對(duì)發(fā)電量的影響，但這些往往是通過簡單的關(guān)系進(jìn)行折減，與現(xiàn)場(chǎng)空氣密度下的功率曲線和推力曲線計(jì)算出的發(fā)電量還是存在一定誤差。故在計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量還是應(yīng)該利用現(xiàn)場(chǎng)空氣密度下的功率曲線和推力曲線。

六、現(xiàn)場(chǎng)定位

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可能會(huì)與地形圖上的地形發(fā)生小地形變化，在現(xiàn)場(chǎng)微觀選址定位時(shí)不能只考慮風(fēng)資源，應(yīng)綜合考慮風(fēng)資源、場(chǎng)內(nèi)線路、道路、吊裝平臺(tái)、施工平臺(tái)等多方面因素的影響。

七、結(jié)語

根據(jù)不同的地形條件，選擇相適應(yīng)的風(fēng)資源軟件，選擇合理的排布方式，使風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量最大，投資最小，從而達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)最高回報(bào)率。

參考文獻(xiàn)

IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)2版

IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)3版

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T5383-2007