文 | 朱金奎，姜婷婷，申新賀

準(zhǔn)確評估風(fēng)電場場區(qū)風(fēng)能資源對風(fēng)電項目投資收益至關(guān)重要。對于需要在場區(qū)內(nèi)豎立測風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)能資源評估的項目，一般來說，如果場區(qū)地形比較平坦，一座測風(fēng)塔可以代表周邊5～8km范圍內(nèi)的風(fēng)能資源特征；如果地形復(fù)雜，場區(qū)內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向的時空變化均很復(fù)雜，一座測風(fēng)塔數(shù)據(jù)僅能比較準(zhǔn)確地模擬出其周邊2～3km范圍內(nèi)的風(fēng)能資源。因此，需要根據(jù)場區(qū)地形特征、主導(dǎo)風(fēng)向在合適的位置分別豎立測風(fēng)塔。

由測風(fēng)塔獲取的測風(fēng)數(shù)據(jù)通過風(fēng)能資源評估軟件計算得到的是理論發(fā)電量，該發(fā)電量扣除控制和湍流損失、葉片污染損失、風(fēng)電機(jī)組可利用率損失等因素后才對應(yīng)風(fēng)電場上網(wǎng)電量。風(fēng)能資源評估階段各項發(fā)電量損失統(tǒng)一用綜合折減系數(shù)來表示。綜合折減系數(shù)顯著地影響項目發(fā)電量評估結(jié)果，其值需要根據(jù)項目實際情況進(jìn)行選取，很大程度上受限于風(fēng)能資源工程師的經(jīng)驗。不同項目、不同統(tǒng)計方式得到的發(fā)電量綜合折減系數(shù)差異較大。據(jù)國家發(fā)展改革委于2009年進(jìn)行的調(diào)查，中國風(fēng)電項目折減系數(shù)范圍大致在20%～45%之間。

本文根據(jù)某山地風(fēng)電場的實際運行數(shù)據(jù)，分別選取不同測風(fēng)塔數(shù)據(jù)作為輸入條件，利用Meteodyn WT軟件計算機(jī)位點風(fēng)速、發(fā)電量，并與風(fēng)電場實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析在不同測風(fēng)塔代表性情況下計算結(jié)果的準(zhǔn)確性差異以及風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量綜合折減系數(shù)的差異，評估測風(fēng)塔代表性對風(fēng)能資源評估的影響，為以后類似山地風(fēng)電場項目的風(fēng)能資源評估計算提供一定借鑒。

項目概況

本文選取的風(fēng)電場位于浙江省南部，安裝有17臺風(fēng)輪直徑為115m、輪轂高度為80m的2.0MW風(fēng)電機(jī)組和3臺風(fēng)輪直徑不同的其他機(jī)組。

項目場區(qū)由兩座山脊組成（圖1），東側(cè)山脊較高，呈東西走向，海拔高度在1500m左右，安裝有F01―F07風(fēng)電機(jī)組；西側(cè)山脊較低，呈西南―東北走向，海拔高度在1350m左右，安裝有F08―F20風(fēng)電機(jī)組。在項目立項、可研階段（2015―2016年），場區(qū)內(nèi)東、西山脊上各有一座測風(fēng)塔，編號分別為A、B，海拔高度分別為1351m、1536m，二者之間直線距離約5.7km，后來均倒塔。項目投產(chǎn)運行后，在B測風(fēng)塔的原址上重新豎立了一座用于風(fēng)功率預(yù)測服務(wù)的測風(fēng)塔。

場區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，地形復(fù)雜，兩座測風(fēng)塔對風(fēng)電機(jī)組機(jī)位點的代表性需要分區(qū)分析。西部機(jī)位點與A測風(fēng)塔在同一條山脊上，并且均在A測風(fēng)塔周邊3km的范圍內(nèi)，海拔高差不超過70m，分析可知A測風(fēng)塔對西部機(jī)位點的代表性很高；東部機(jī)位點與B測風(fēng)塔在同一個山體上，最大間距不到1.6km，海拔高差不超過60m，分析可知B測風(fēng)塔對東部機(jī)位點的代表性很高。但是由于東、西山脊的海拔高差約150m，直線距離接近6km，A測風(fēng)塔對東部機(jī)位點、B測風(fēng)塔對西部機(jī)位點的代表性均較低。

數(shù)值模擬方案及結(jié)果

根據(jù)收集到的測風(fēng)數(shù)據(jù)、場區(qū)地形數(shù)據(jù)和地表粗糙度資料，利用Meteodyn WT軟件模擬場區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布，網(wǎng)格水平分辨率25m，垂直分辨率4m，風(fēng)向扇區(qū)間隔20°。評估時段為2017年10月1日至2018年9月30日這一完整年。

根據(jù)輸入Meteodyn WT軟件的測風(fēng)資料，分以下兩種方案模擬場區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布：（1）只輸入模擬時段內(nèi)B測風(fēng)塔實際測風(fēng)數(shù)據(jù)，以下簡稱為“單塔計算”方案；（2）輸入模擬時段內(nèi)B測風(fēng)塔實際測風(fēng)數(shù)據(jù)以及A測風(fēng)塔同期測風(fēng)數(shù)據(jù)，以下簡稱為“雙塔計算”方案。對比分析兩種方案計算得到的場區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布特征差異，并與以風(fēng)電場SCADA數(shù)據(jù)為代表的同期現(xiàn)場實際情況對比。

圖1 風(fēng)電場內(nèi)測風(fēng)塔、機(jī)位點空間分布（紅色圖標(biāo)：風(fēng)輪直徑為115m的風(fēng)電機(jī)組；黃色圖標(biāo)：風(fēng)輪直徑不同的其他機(jī)組）

圖2 評估時段內(nèi)B測風(fēng)塔實測風(fēng)向（左）、風(fēng)能（右）分布

圖3 單塔計算得到的場區(qū)內(nèi)80m高度的風(fēng)速（左）、風(fēng)功率密度（右）分布

為了簡化內(nèi)容，本文僅分析17臺風(fēng)輪直徑為115m、輪轂高度為80m的風(fēng)電機(jī)組的計算結(jié)果和SCADA統(tǒng)計數(shù)據(jù)，機(jī)組編號為F01―F06、F08―F15、F17―F19。

一、單塔計算

評估時段內(nèi)，B測風(fēng)塔80m高度的年平均風(fēng)速為6.00m/s，主風(fēng)向為SSE、SE，風(fēng)能主導(dǎo)方向為SSE（圖2）。根據(jù)B測風(fēng)塔與附近風(fēng)電機(jī)組的相對位置（圖1）可知，該測風(fēng)塔的實測風(fēng)速幾乎不會受到風(fēng)電機(jī)組尾流的“污染”，可以認(rèn)為實測數(shù)據(jù)是該處的自由風(fēng)速。

將B測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)輸入Meteodyn WT軟件，模擬得到場區(qū)內(nèi)80m高度的風(fēng)速、風(fēng)功率密度分布，見圖3。模擬結(jié)果中東、西山脊的風(fēng)速相當(dāng)，風(fēng)功率密度也比較接近，兩條山脊由于地形隆升引起的風(fēng)加速效應(yīng)都體現(xiàn)得很明顯。計算得到A測風(fēng)塔處80m高度的年平均風(fēng)速為6.16m/s，17個機(jī)位點80m高度的年平均風(fēng)速為5.87m/s。其中，機(jī)位點F08處風(fēng)速最高，年平均風(fēng)速為6.73m/s，風(fēng)功率密度為388W/m2；機(jī)位點F19處風(fēng)速最低，年平均風(fēng)速為5.08m/s，風(fēng)功率密度為167W/m2。

二、雙塔計算

在風(fēng)電場項目可研、設(shè)計階段，A、B測風(fēng)塔有約1年的同期測風(fēng)數(shù)據(jù)，共同測風(fēng)時段內(nèi)A測風(fēng)塔80m高度的風(fēng)速為5.98m/s，B測風(fēng)塔80m高度的風(fēng)速為5.39m/s，有效數(shù)據(jù)完整率均在90%以上。兩座測風(fēng)塔80m高度的風(fēng)速時間序列之間相關(guān)系數(shù)為0.77（圖4），有較好的相關(guān)性，可以采用直接相關(guān)的方法推算A測風(fēng)塔在評估時段內(nèi)的風(fēng)速。

根據(jù)圖4中的關(guān)系，推算出在該時段內(nèi)A測風(fēng)塔80m高度的年平均風(fēng)速為5.39m/s，比單塔計算結(jié)果低0.77m/s。將B測風(fēng)塔的實測數(shù)據(jù)以及推算得到的A測風(fēng)塔數(shù)據(jù)輸入Meteodyn WT軟件，模擬得到場區(qū)內(nèi)80m高度的風(fēng)速、風(fēng)功率密度分布，見圖5。雖然地形隆升引起的風(fēng)加速效應(yīng)仍然比較明顯，但對比圖3可以發(fā)現(xiàn)，雙塔計算結(jié)果中西側(cè)山脊的風(fēng)速、風(fēng)功率密度均顯著降低。

圖4 A、B測風(fēng)塔80m高度的風(fēng)速直接相關(guān)關(guān)系

圖5 雙塔計算得到的場區(qū)內(nèi)80m高度的風(fēng)速（左）、風(fēng)功率密度（右）分布

圖6 單塔計算、雙塔計算結(jié)果中機(jī)位點風(fēng)速與SCADA風(fēng)速對比

圖7 單塔計算、雙塔計算結(jié)果中機(jī)位點發(fā)電量與SCADA發(fā)電量對比

雙塔計算時西部機(jī)位點（F08－F19）的模擬風(fēng)速低于單塔計算結(jié)果，11個機(jī)位點的風(fēng)速平均差異為0.70m/s，其中F15處兩種計算結(jié)果差異最大，達(dá)到0.88m/s。

雙塔計算結(jié)果中，17個機(jī)位點80m高度的年平均風(fēng)速為5.41m/s。其中，機(jī)位點F08處風(fēng)速最高，年平均風(fēng)速為6.19m/s，風(fēng)功率密度為296W/m2；機(jī)位點F19處風(fēng)速最低，年平均風(fēng)速為4.75m/s，風(fēng)功率密度為142W/m2。

模擬結(jié)果與SCADA統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比

由于葉片遮擋、風(fēng)電機(jī)組尾流和機(jī)艙形狀改變流場等影響因素，風(fēng)電機(jī)組SCADA實測風(fēng)速并不等于風(fēng)電機(jī)組輪轂前方自由風(fēng)速，但是二者之間大致為線性關(guān)系，SCADA風(fēng)速可以定性地反映機(jī)位處的風(fēng)速高低。

一、風(fēng)速、發(fā)電量對比

單塔計算、雙塔計算兩種方案的結(jié)果差異主要體現(xiàn)在西部機(jī)位點的風(fēng)能資源情況上。從圖6可知，雙塔計算結(jié)果中西部機(jī)位點風(fēng)速顯著低于單塔計算結(jié)果，且整體上雙塔計算得到的機(jī)位點風(fēng)速與SCADA風(fēng)速的一致性更高。單塔計算中機(jī)位點風(fēng)速與SCADA風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為0.66，而雙塔結(jié)果中機(jī)位點風(fēng)速與SCADA風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.89，雙塔計算方案能夠更準(zhǔn)確地模擬出場區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布特征。

類似地，單塔計算結(jié)果中西部機(jī)位點的發(fā)電量顯著高于雙塔計算結(jié)果（圖7），而雙塔計算的發(fā)電量與SCADA發(fā)電量的一致性更好，同樣說明雙塔計算方案能夠更準(zhǔn)確地模擬出場區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布特征。

二、發(fā)電量綜合折減系數(shù)

風(fēng)能資源評估階段一般用發(fā)電量綜合折減系數(shù)來統(tǒng)一涵蓋影響風(fēng)電機(jī)組出力的各項因素導(dǎo)致的發(fā)電量損失。國家發(fā)展改革委在2009年發(fā)布了《關(guān)于對中國風(fēng)電發(fā)電量折減問題的說明》，給出了風(fēng)電場發(fā)電量折減因素的類別和典型取值范圍（表1）。

本文基于項目實際運行數(shù)據(jù)，分別評估兩種計算方案對應(yīng)的發(fā)電量綜合折減系數(shù)（表2）。單塔計算時，本項目全場平均綜合折減系數(shù)為22.7%；雙塔計算時，全場平均綜合折減系數(shù)為13.8%。場區(qū)東部機(jī)組（F01―F06）在單塔、雙塔計算結(jié)果中的綜合折減系數(shù)分別為10.3%、10.1%，差別不大且均比較低；而場區(qū)西部機(jī)組（F08―F19）在單塔、雙塔計算結(jié)果中的綜合折減系數(shù)分別為29.5%、15.9%，差異顯著。這是因為在單塔計算中，軟件模型嚴(yán)重高估了海拔高度較低的西側(cè)山脊處的風(fēng)能資源和西部機(jī)組的理論發(fā)電量。

表1 發(fā)電量綜合折減系數(shù)詳情

表2 單塔、雙塔計算結(jié)果中的發(fā)電量綜合折減系數(shù)統(tǒng)計

圖8 單塔、雙塔計算得到的各機(jī)位點發(fā)電量綜合折減系數(shù)

測風(fēng)塔對場區(qū)機(jī)位點的代表性決定了軟件對機(jī)位點風(fēng)況、發(fā)電量的模擬準(zhǔn)確性，影響著復(fù)雜地形風(fēng)電場風(fēng)能資源評估的準(zhǔn)確性。本文中的兩種評估方法唯一差別在于輸入不同測風(fēng)塔數(shù)據(jù)導(dǎo)致的軟件計算誤差折減差異。當(dāng)測風(fēng)塔對場區(qū)所有機(jī)位點的代表性均較高時（雙塔計算），軟件計算誤差較小，風(fēng)電場發(fā)電量綜合折減系數(shù)只有13.8%；而當(dāng)測風(fēng)塔對機(jī)位點的代表性較低時（單塔計算），軟件計算誤差較大，風(fēng)電場發(fā)電量綜合折減系數(shù)增加到22.7%，可見由于測風(fēng)塔代表性較低導(dǎo)致的軟件計算誤差較大，額外引入了8.9%的發(fā)電量折減比例。軟件計算誤差折減的取值在不同測風(fēng)塔代表性的情況下差異較大，在項目前期風(fēng)能資源評估工作中需要特別引起關(guān)注。

結(jié)論

復(fù)雜地形風(fēng)電場發(fā)電量評估的準(zhǔn)確性依賴于測風(fēng)塔對機(jī)位點的代表性，需要測風(fēng)塔的海拔高度、周邊環(huán)境能夠很好地代表預(yù)選風(fēng)電機(jī)組機(jī)位點的情況。如果風(fēng)電項目在測風(fēng)不足的情況下匆忙上馬，不僅項目投資存在較大風(fēng)險，也容易造成社會資源浪費。本文通過采用不同代表性的測風(fēng)塔組合計算方案對場區(qū)風(fēng)能資源進(jìn)行評估，并將計算結(jié)果與實際運行的SCADA統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到的主要結(jié)論為：

（1）測風(fēng)塔代表性較高時，可以基于測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，利用Meteodyn WT模型比較準(zhǔn)確地計算出場區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布特征；測風(fēng)塔代表性較低時，計算結(jié)果的準(zhǔn)確性顯著降低。

（2）采用代表性較高的測風(fēng)塔數(shù)據(jù)計算時，本文中風(fēng)電場的發(fā)電量綜合折減系數(shù)為13.8%；如果采用代表性較低的測風(fēng)塔數(shù)據(jù)計算，風(fēng)電場發(fā)電量綜合折減系數(shù)增加到22.7%?？梢?，發(fā)電量綜合折減系數(shù)中的“軟件計算誤差折減”存在較大的變化范圍。