風(fēng)電場(chǎng)布機(jī)優(yōu)化分析

華澤嘉，張嘯迪，路凱

(1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.北京天潤新能投資有限公司，北京100101;3.國電龍?jiān)措娏夹g(shù)工程有限責(zé)任公司，北京100039)

截止2015年2月底，我國并網(wǎng)的風(fēng)電裝機(jī)容量首次突破1億千瓦，達(dá)10 004萬千瓦，持續(xù)穩(wěn)居我國第三大發(fā)電類型和世界風(fēng)電裝機(jī)容量的首位。風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展對(duì)風(fēng)電開發(fā)技術(shù)不斷提出新的要求。風(fēng)電行業(yè)在早期發(fā)展過程中，由于有豐富的優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源儲(chǔ)備。因此，在風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)過程中，尤其是前期風(fēng)機(jī)選址、選型，并沒有對(duì)風(fēng)資源評(píng)估工作給予足夠的重視，導(dǎo)致開發(fā)的部分風(fēng)電項(xiàng)目發(fā)電量低于預(yù)期，投資收益無法得到保障［1］。隨著風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展，與之相對(duì)應(yīng)的前期開發(fā)技術(shù)在大量工程實(shí)踐中不斷得到創(chuàng)新，提高并最終服務(wù)于包括風(fēng)機(jī)研發(fā)、風(fēng)機(jī)制造、風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)、風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)以及風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)價(jià)在內(nèi)的風(fēng)電項(xiàng)目全生命周期。

風(fēng)電項(xiàng)目前期開發(fā)工作包括了宏觀選址和微觀選址兩個(gè)部分。其中，宏觀選址是在風(fēng)能資源豐富地區(qū)通過分析收集得到的氣象、交通、地質(zhì)、地形地貌、電網(wǎng)接入等關(guān)鍵要素資料，篩選出適合進(jìn)行風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)的區(qū)域［2］;而微觀選址則是在篩選出的區(qū)域立塔測(cè)風(fēng)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的處理分析，利用風(fēng)資源評(píng)估軟件優(yōu)化風(fēng)機(jī)點(diǎn)位排布并計(jì)算發(fā)電量和相應(yīng)的尾流損失，結(jié)合項(xiàng)目整體成本估算，評(píng)估項(xiàng)目投資收益，最終確定項(xiàng)目的可行性。

其中，處理測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，計(jì)算風(fēng)況參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地貌特征利用風(fēng)資源評(píng)估軟件優(yōu)化風(fēng)機(jī)點(diǎn)位排布，提高發(fā)電量，降低尾流損失，保證項(xiàng)目收益是前期開發(fā)技術(shù)工作的重點(diǎn)。

1 測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理

GB/T18709－2002《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量方法》要求風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)必須有至少一個(gè)完整年連續(xù)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)完整率在98%以上［3］。測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)是在待開發(fā)區(qū)域樹立測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)得到的反映測(cè)量期間現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)能資源狀況的相關(guān)數(shù)據(jù)，一般包括不同高度層的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)以及氣壓、溫度、濕度等氣象要素。其中，最重要的就是風(fēng)速數(shù)據(jù)。

由于現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜多變，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)一般可能會(huì)因極端天氣及其他不可預(yù)知的情況干擾而不能準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)速數(shù)據(jù)。為了獲得足夠多準(zhǔn)確的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，工程師會(huì)在測(cè)風(fēng)塔的幾個(gè)關(guān)鍵高度層分別安裝測(cè)風(fēng)儀器，并利用相同高度層以及不同高度層之間的相關(guān)性關(guān)系分析實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)，利用相關(guān)性關(guān)系和風(fēng)切變?cè)硖蕹缓侠頂?shù)據(jù)并進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，并最終保證用于風(fēng)資源評(píng)估的有效數(shù)據(jù)完整率在90%以上。其中，有效數(shù)據(jù)完整率計(jì)算如下式:

式中:應(yīng)測(cè)數(shù)目為測(cè)量期間小時(shí)數(shù);缺測(cè)數(shù)目為沒有記錄到的小時(shí)平均值數(shù)目;無效數(shù)據(jù)數(shù)目為確認(rèn)為不合理的小時(shí)平均值數(shù)目［4］。

(1)風(fēng)速數(shù)據(jù)的相關(guān)性

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，用協(xié)方差表示兩個(gè)隨機(jī)變量之間的相互關(guān)系。對(duì)于離散的隨機(jī)變量

X與Y的相關(guān)系數(shù)為

同時(shí)，刻測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)和同期其他參考站數(shù)據(jù)均可以根據(jù)計(jì)算方式計(jì)算風(fēng)速數(shù)據(jù)相關(guān)性;而在實(shí)際工程中則往往通過對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行散點(diǎn)圖插入，直接在圖形中依據(jù)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)的剔除和替換。

(2)風(fēng)切變

風(fēng)切變可以認(rèn)為是風(fēng)廓線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)速擴(kuò)線通過風(fēng)切變分析可以由一個(gè)高度推導(dǎo)。同時(shí)，刻另一個(gè)高度風(fēng)速數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)的重要手段。風(fēng)切變冪律公式如下:

式中:α為風(fēng)切變指數(shù);v2為高度z2的風(fēng)速;v1為高度z1的風(fēng)速。

隨著風(fēng)機(jī)輪轂高度的不斷提高，工程中往往需要取得高于測(cè)風(fēng)高度的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，此時(shí)為了外推數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們需要根據(jù)測(cè)風(fēng)塔不同高度平均風(fēng)速的冪函數(shù)關(guān)系進(jìn)行風(fēng)切變指數(shù)的擬合:

式中:y為擬求高度平均風(fēng)速;x為擬求高度;b為綜合風(fēng)切變指數(shù)。

2 風(fēng)速分布模型分析

自然形成的風(fēng)看似隨機(jī)、多變卻在空間和時(shí)間上遵循著一定的變化和分布規(guī)律，研究風(fēng)資源變化首先需要明確風(fēng)速分布的概率分布模型和相關(guān)參數(shù)。隨著對(duì)風(fēng)速分布模型研究的不斷深入和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，威布爾分布模型是描述風(fēng)速分布最準(zhǔn)確的分布模型，在國內(nèi)外風(fēng)資源評(píng)估和風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等方面都已廣泛使用威布爾分布模型。

威布爾分布如下:

式中:k和c分別為威布爾分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)。

對(duì)于威布爾分布參數(shù)的計(jì)算有多種方法，工程實(shí)際中常根據(jù)《全國風(fēng)能資源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》推薦的以平均風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)合伽馬函數(shù)估算威布爾分布參數(shù)。筆者就風(fēng)資源評(píng)估軟件WASP采用的計(jì)算方法——等能量密度法介紹威布爾分布參數(shù)的一種計(jì)算方法。

等能量密度法是基于保證能夠最大限度的表達(dá)風(fēng)的能量，通過如下兩個(gè)條件估計(jì)威布爾分布的參數(shù):

①實(shí)測(cè)風(fēng)能密度和威布爾分布計(jì)算的風(fēng)能密度相等;

②實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)與威布爾分布計(jì)算的超過風(fēng)速平均值的概率相等。

根據(jù)條件①，由于風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，所以有

故

因此，

任務(wù)與其所屬區(qū)域中心點(diǎn)的距離Ri:完成與未完成的平均灰色關(guān)聯(lián)度為0.90385，是四大影響因素中相對(duì)較低的，但是也不可忽視。四大影響因子的平均關(guān)聯(lián)度都在0.9以上，影響因素定義正確且不可忽視。

根據(jù)條件②，假設(shè)實(shí)測(cè)風(fēng)速超過實(shí)測(cè)平均風(fēng)速的概率為P則有:

因此，

令k初值為2，經(jīng)過迭代運(yùn)算，直到求得k穩(wěn)定解［5］。

3 基于WASP的風(fēng)電場(chǎng)布機(jī)優(yōu)化分析

本文選取北方某待開發(fā)發(fā)電項(xiàng)目區(qū)域，以該區(qū)域一個(gè)完整年的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，結(jié)合Global Mapper獲取的等高線數(shù)字地形圖，利用丹麥里索風(fēng)能實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的風(fēng)資源評(píng)估軟件WASP，對(duì)待開發(fā)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)機(jī)點(diǎn)位微觀選址并進(jìn)行優(yōu)化分析。在布機(jī)過程中，首先根據(jù)地形和測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)以及待選風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線信息，計(jì)算待開發(fā)區(qū)域的風(fēng)能資源分布圖譜，綜合地形和風(fēng)能資源分布圖譜確定風(fēng)機(jī)點(diǎn)位布置;并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)受尾流效應(yīng)影響明顯的風(fēng)機(jī)點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整或者剔除處理，最終在提高發(fā)電量和降低尾流損失之間得到平衡，提高整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的排布效率。

(1)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理與相關(guān)性分析

利用相關(guān)性和風(fēng)切變?cè)韺?duì)該區(qū)域?qū)崪y(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)替換，得到該區(qū)域?qū)崪y(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析如圖1所示。圖1是70 m高度層兩個(gè)風(fēng)速通道實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性分析，圖2是70 m高度層與50 m高度層風(fēng)速通道實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性分析?？梢钥吹?，通過插補(bǔ)計(jì)算之后，兩組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R均超過了0.99，相關(guān)性非常好，滿足風(fēng)資源評(píng)估工作的需要。

圖1 70m高度層風(fēng)速數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

圖2 70－50 m高度層風(fēng)速數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

(2)風(fēng)圖譜分析

(3)布機(jī)優(yōu)化分析

由計(jì)算得出的風(fēng)資源圖譜并結(jié)合風(fēng)向、數(shù)字地形圖等要素共同分析，選擇圖4所示的布機(jī)方式。

圖3 風(fēng)資源圖譜

圖4 布機(jī)方式Ⅰ

利用WASP內(nèi)置計(jì)算模型可得風(fēng)場(chǎng)總體發(fā)電量和尾流損失理論數(shù)值如表1所示。

表1 布機(jī)方式Ⅰ發(fā)電量與尾流損失統(tǒng)計(jì)表

風(fēng)場(chǎng)單個(gè)機(jī)位點(diǎn)發(fā)電量及尾流損失如表2所示。

表2 布機(jī)方式Ⅰ各機(jī)位點(diǎn)發(fā)電量及尾流損失統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表2

根據(jù)WASP計(jì)算結(jié)果，綜合考慮發(fā)電量和尾流損失兩個(gè)方面，剔除16號(hào)、17號(hào)、21號(hào)機(jī)位點(diǎn)，同時(shí)調(diào)整13號(hào)、14號(hào)機(jī)位點(diǎn)位置，形成如圖5所示排布方式。

圖5 布機(jī)方式Ⅱ

風(fēng)場(chǎng)總體發(fā)電量和尾流損失數(shù)值如表3所示。

表3 布機(jī)方式Ⅱ發(fā)電量與尾流損失統(tǒng)計(jì)表

風(fēng)場(chǎng)單個(gè)機(jī)位點(diǎn)發(fā)電量及尾流損失如表4所示。

表4 布機(jī)方式Ⅱ各機(jī)位點(diǎn)發(fā)電量及尾流損失統(tǒng)計(jì)表

總結(jié)上述兩種布機(jī)方案如表5所示。

表5 兩種布機(jī)方式對(duì)比

由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，雖然布機(jī)方式Ⅱ較布機(jī)方式Ⅰ減少了三臺(tái)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位并由此導(dǎo)致總發(fā)電量降低10.171 GWh，但是卻使尾流損失比降低了2.63%，風(fēng)機(jī)排布效率提高了2.624%，極大提高了風(fēng)場(chǎng)能量利用率，降低機(jī)組因受尾流效應(yīng)影響而產(chǎn)生的額外后期維護(hù)費(fèi)用。

4 結(jié)論

不同布機(jī)方式會(huì)產(chǎn)生明顯發(fā)電量和尾流損失的差異，并對(duì)整個(gè)項(xiàng)目收益產(chǎn)生重要影響。風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)容量設(shè)置不能單純的以提高發(fā)電量為目標(biāo)，而應(yīng)該結(jié)合發(fā)電量、排布效率、建設(shè)成本等多方面因素綜合考慮，以獲得最大項(xiàng)目投資收益為目標(biāo)合理設(shè)置待開發(fā)區(qū)域裝機(jī)容量和風(fēng)機(jī)點(diǎn)位布置，提高風(fēng)場(chǎng)能量利用率，降低尾流效應(yīng)的影響以降低后期維護(hù)費(fèi)用。在發(fā)電量和風(fēng)機(jī)排布效率之間相互平衡，協(xié)調(diào)項(xiàng)目用地面積和提高發(fā)電量、降低尾流損失之間的矛盾，是微觀選址工作的重要內(nèi)容;利用風(fēng)資源評(píng)估軟件結(jié)合精確的數(shù)字地形圖和風(fēng)資源圖譜進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)位點(diǎn)布置優(yōu)化可以大大提高機(jī)位點(diǎn)排布工作的效率，并降低機(jī)位點(diǎn)布置過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

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