港口實景下大型風電機組工程化設計分析

唐道貴 ，柯耀 ，張乾能 ，李將淵 ，俞浩煥 ，朱琳杰

（1.浙江省海港投資運營集團有限公司,浙江 寧波 315100；2.寧波舟山港集團有限公司,浙江 寧波 315100；3.武漢理工大學 交通與物流工程學院,湖北 武漢 430073；4.寧波北侖第三集裝箱碼頭有限公司,浙江 寧波 315100）

0 引言

近年來，與全球氣候變化密切相關的極端天氣、自然災害頻發(fā)，為應對氣候變化，世界各國紛紛制定碳中性、碳中和氣候目標，積極應對氣候變化成為全球共同性議題[1]。中國也提出了CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和的目標[2]。大力推動可再生能源發(fā)展是應對當前能源危機和環(huán)境問題的重要手段。

風力發(fā)電技術是一項經(jīng)過充分驗證且具有較大效益的技術，對于促進地區(qū)治理大氣污染、轉變經(jīng)濟發(fā)展方式具有重要意義[3-5]。截至2022 年年底，全國風電累計裝機超過18 萬臺，容量突破390 GW[6]，“十四五”期間，新能源仍將繼續(xù)快速發(fā)展，裝機和發(fā)電量占比仍將持續(xù)提高[7-8]。國家能源局指出未來幾年我國的風電發(fā)展模式為：在大型風電地區(qū)促進風電規(guī)?；l(fā)展的基礎上，支持風資源不太豐富的地區(qū)，發(fā)展低風速風電場，倡導分散式風電開發(fā)模式。風電場逐漸由傳統(tǒng)地區(qū)向東南沿海地區(qū)發(fā)展，如福建、兩廣等低風速地區(qū)[9-12]，而港口風電場是介于陸上和海上風電場的一個特例。柳成等[13]針對低風速區(qū)的風電場的建設，通過實測數(shù)據(jù)，采用柱狀圖以及氣象玫瑰圖對風電場場址風能資源進行綜合評價，以確定場址、風機型號以及風機的布置。IEC 61400-1∶2019 也規(guī)定了確保風力渦輪機結構完整性的基本設計要求[14]。Olabi 等介紹了可用風力發(fā)電機組技術的一般選擇指南，詳細討論了與風能轉換系統(tǒng)相關的各種組件的前景及其局限性[15]。上述研究主要側重于陸上或海上風電機組選址或選型，即通過分析有代表性的測風塔資料，系統(tǒng)分析不同地區(qū)的風資源特性[16-19]，為風電機組選址及選型等提供重要參考。但大多數(shù)研究都致力于陸上或海上風電場選址和風電機組選型[20-22]，沒有針對港口這一特殊場景進行設計[23-24]。對于港口大型風電機組選址和選型而言，如何在不影響港口安全生產(chǎn)的前提下充分利用港區(qū)周邊閑置地塊，并使得所選風電機組型號滿足高安全性、低噪聲、高耐腐蝕性等要求，對港口分散式風電場開發(fā)、風電機組選址及選型提出了更大的挑戰(zhàn)。本文以寧波舟山港穿山港區(qū)為例，分析了港口風力發(fā)電機組的限制性因素和設計原則，結合港區(qū)實景，對港口大型風力發(fā)電機組選址及選型進行工程化設計分析，為港口風電場設計提供參考。

1 工程簡介

穿山港區(qū)海拔高度0～3 m。港區(qū)區(qū)廓呈長方形，東西端最長3.75 km，南北端最寬1.5 km。港區(qū)內(nèi)設立一座激光雷達，坐標為29°53′9.69″N，122°1′41.48″E，于2022 年1 月4 日開始正式測風。本文根據(jù)MERRA-2 再分析數(shù)據(jù)對港區(qū)的風能資源進行較長時間尺度上的分析，再分析港區(qū)一年的風能數(shù)據(jù)進行港區(qū)近期風能資源情況分析。

風電場的勘測設計工作主要包括場址地質勘查、風能資源評估、微觀選址和財務評價等[25-26]。由于港口風電場的風能資源存在不均勻性，且港區(qū)內(nèi)人類活動頻繁，存在較多制約風電機組布置的因素，選擇經(jīng)濟技術指標相對較優(yōu)的風電機組以及布置位置就顯得尤為重要。因此，本文重點對港口風電場的風能資源評估、風電機組選址及選型等進行分析。通過分析穿山港區(qū)風資源潛力以及港區(qū)基礎設施能源化潛力的基礎上，建立港區(qū)多能源融合系統(tǒng)仿真模型，評估穿山港區(qū)多能源融合系統(tǒng)的經(jīng)濟與排放特性。通過數(shù)字模擬和港區(qū)測得的數(shù)據(jù)進行風資源分析，明確港區(qū)的風發(fā)電潛力，并為后續(xù)風出力的計算以及多能源融合系統(tǒng)的評估、設計和運行管理等提供決策支持。

2 穿山港區(qū)風能資源評估

穿山港區(qū)沿岸陸域以低山丘陵為主，間隔分布小型海積平原，岸外有舟山群島星羅棋布。區(qū)境屬亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，四季分明。風向季節(jié)性變化強，夏季盛行東南風，冬季盛行西北風。通過對該區(qū)域的風能資源分析發(fā)現(xiàn)，場址區(qū)域內(nèi)風速、風向差異較大。因此，準確掌握區(qū)域內(nèi)風能資源分布情況，對風電場工程設計起著決定性作用[27]。

2.1 風能資源分析

對于風能情況的分析，采用天氣研究及預報（Weather Research and Forecasting，WRF）中尺度數(shù)值模式初步分析場區(qū)風資源水平，同時參考MERRA-2再分析數(shù)據(jù)，根據(jù)其他測風塔數(shù)據(jù)進行模型檢驗。MERRA-2 長序列及測風年平均風速統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 MERRA-2 長序列及測風年平均風速統(tǒng)計表Tab.1 MERRA-2 long sequence and annual average wind speed statistical datas

穿山港區(qū)代表年125 m 高度風能和風向情況如圖1 所示。從圖中可以看出，場區(qū)輪轂高度主要風向分別為NNE、N 和S，相應頻率分別為12.6%、11.7%和10.1%；輪轂高度主要風能方向分別為NNW、N和S，相應頻率分別為16.3%、15.9%和14.9%。

圖1 港區(qū)代表年125 m 高度風向和風能玫瑰圖Fig.1 Rose diagram of wind direction and wind energy at 125 m height in representative year of port area

港區(qū)代表年125 m 高度各月風向和風能玫瑰圖如圖2 所示。從圖中可以看出，港區(qū)的風向夏季和冬季較為單一，夏季主要風向為SSW、S，冬季主要風向為N、NNW；春秋季節(jié)風向較為雜亂。對于港區(qū)的風能，夏季主要集中在S、SSW；其他季節(jié)主要分布在NNW、N 和NNE。

圖2 港區(qū)代表年125 m 高度各月風向和風能玫瑰圖Fig.2 Monthly wind direction and wind energy rose diagram at a height of 125 m in a representative year of the port area

穿山港區(qū)代表年125 m 高度風速和風功率年變化曲線、日變化曲線分別如圖3（a）、圖3（b）所示。從圖中可以看出，港區(qū)的風速呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性特點但是變化較為緩和，在冬季和夏季風速較大，最大月平均風速出現(xiàn)在8 月，月平均風速為6.8 m/s，最小月平均風速出現(xiàn)在6 月，月平均風速5.22 m/s。風功率呈現(xiàn)出較強的季節(jié)性特點，變化較大，最大月平均風功率密度出現(xiàn)在12 月，月平均風功率密度為343 W/m2，最小風功率密度出現(xiàn)在6 月，風功率密度為133 W/m2。從風速和風功率日變化曲線上看，港區(qū)風速和風功率日變化較為平穩(wěn)。清晨8 時至午后1 時風速處于較低水平，下午至傍晚逐漸增加，晚間8 時達到最高點，而后開始緩慢下降，在深夜至次日凌晨風速變化趨于平緩。風功率密度的日變化情況與風速基本一致。

2.2 特殊氣候

穿山港區(qū)位于浙江東南海港區(qū)域，對風電場造成影響的特殊氣候主要是熱帶氣旋和大風等。其中，區(qū)域熱帶氣旋以穿山港區(qū)中心為圓形，設置半徑100 km為區(qū)域為本區(qū)域熱帶氣旋統(tǒng)計區(qū)域。根據(jù)國家級氣象觀測站點數(shù)據(jù)，所有進入統(tǒng)計區(qū)域的熱帶氣旋的路徑顯示，影響本次統(tǒng)計區(qū)域的熱帶氣旋路徑主要為轉向類路徑。1949～2021 年期間，影響本次統(tǒng)計區(qū)域的熱帶氣旋年均0.4 個，每年熱帶氣旋影響本次統(tǒng)計區(qū)域的時間在5～9 月。

通過歷史數(shù)據(jù)分析，港區(qū)65 m 高度處50 年一遇最大風速在52.1 m/s 左右。根據(jù)IEC61400-1: 2019風力發(fā)電機組第1 部分：設計要求（Wind energy generation systems——Part1: Design requirements）的設計標準[14]，風力發(fā)電機組選型的基本參數(shù)如表2所示。結合表2 以及風資源、特殊氣候等分析，本風電場宜選用IEC I 類及以上且具抗臺特別設計的風電機組或滿足抗臺要求的S 類風電機組。結合數(shù)值模型及港區(qū)周邊項目實測成果初步判斷，平均風速為15 m/s 時，港區(qū)125 m 高度湍流強度低于C 類（0.12）。

表2 臺風型風力發(fā)電機組等級基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of typhoon-resistant wind turbine grade

3 風電發(fā)電系統(tǒng)設計

風電場微觀選址是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及風能資源、地質、機組布置等，對于風電場建設、運行而言至關重要，也是風電場取得良好經(jīng)濟效益的關鍵[28]。而風電機組選址及選型過程、發(fā)電量估算等又是微觀選址工作的中心內(nèi)容及評判依據(jù)。文章將結合港區(qū)實際情況，著重分析風力發(fā)電機組選址過程及選型問題。

3.1 風電機組選址分析

風電場通過每臺風電機組把風能轉化為電能，風經(jīng)過風電機組轉輪后速度下降并產(chǎn)生紊流，沿著下風向一定距離后，才能消除前1 臺風電機組對風速的影響。在布置風電機組時，應充分考慮風電機組之間相互的尾流影響，確定各風電機組的間距，把尾流影響控制在合理范圍內(nèi)，同時兼顧工程集電線路和道路的投資，使項目經(jīng)濟性達到最優(yōu)。

在風力發(fā)電機組的工程化設計中，首先，應充分考慮場址內(nèi)盛行風向、風速、地形地貌等條件，在同等風況條件下，選擇地質及施工條件較好的場地；其次，既要盡量減小風電機組之間的尾流影響，又要充分利用場區(qū)內(nèi)的土地資源，同時兼顧工程集電線路和道路的投資，并且要考慮風電場區(qū)內(nèi)限制條件，避免風電機組布置與噪聲控制[29-31]、港區(qū)土地利用規(guī)劃等相沖突。風電機組布置需考慮機組安全性，將風電機組的尾流影響控制在合理范圍內(nèi)。

3.1.1 風電機組布置限制性因素

1）海塘：機位點在海塘管理范圍內(nèi)，對于海塘的影響，其安全性已通過了水利部門的審查。

2）場區(qū)辦公樓：風電場區(qū)域內(nèi)分布有辦公樓等房屋。風電機組布置時，盡可能遠離，滿足安全距離和避免風電機組的噪聲影響。

3）電力線路：為避免風電場施工及運行期間對電力線路的影響，布置時盡量避讓。根據(jù)《風電場工程微觀選址技術規(guī)范》（NB/T 10103－2018），距離35 kV 以上等級架空輸電線路不宜小于風電機組倒塔距離的1.0 倍。

4）道路：白中線位于場區(qū)南側，為避免風電場施工及運行期間對道路的影響，根據(jù)《風電場工程微觀選址技術規(guī)范》（NB/T 10103－2018），風電機組的塔筒中心與國道及高速公路、省道的避讓距離宜分別大于1.5 倍倒塔距離、1.0 倍倒塔距離。

5）其他：港區(qū)內(nèi)可能還存在其他限制性因素。

經(jīng)過綜合分析，穿山港區(qū)共有3 個風力發(fā)電機組安裝機位，如圖4 所示。

3.1.2 港口風電機組選址的特殊性

機位選址需充分考慮對于港口運營活動的影響，港口通常是繁忙的運輸和貿(mào)易中心，機組選址時需要考慮港口的運營活動，特別是港區(qū)岸橋、龍門吊作業(yè)的影響以及堆場的正常運營，需要確保風電機組的選址不會對港口運營造成干擾或安全風險。

機位選址還需提前考慮風機接入電網(wǎng)的方案，港口通常有完善的基礎設施和電網(wǎng)接入，需要考慮到電網(wǎng)容量、傳輸線路、變電站等因素，以確保風電機組能夠有效地并入電網(wǎng)。由于N01、N02 和N03號機位靠近港區(qū)已有的變電站，符合經(jīng)濟性的要求。

所有機位平均風速、入流角、風切變、湍流強度滿足機組安全性要求，且所有機位和周邊建筑均滿足安全距離要求。N01 號機位相對位置示意圖及其三維示意圖如圖5、圖6 所示，N02 和N03 號機位相對位置示意圖及其三維示意圖如圖7、圖8 所示。

圖7 N02、N03 機位（190 m 葉輪/125 m 輪轂高度機型）相對位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the relative position of N02 and N03 positions (190 m impeller/125 m hub height model)

圖8 N02、N03 機位三維示意圖Fig.8 3D schematic diagram of N02 and N03 position

3.2 風力發(fā)電機組選型分析

目前，陸上風電機組單機容量在4.0～6.5 MW 之間不等，總體來說，目前陸上風電機組呈現(xiàn)出以4.00 MW 以上機組為主流，機組單機容量逐漸大型化的趨勢。在選擇風電機組時，根據(jù)電網(wǎng)公司對風電場接入電網(wǎng)的技術要求、各機型的技術成熟性、風電場風資源和安裝運輸?shù)葪l件進行綜合比較[32]。根據(jù)目前風電機組產(chǎn)業(yè)狀況，選擇單機容量在4.50～6.25 MW之間且滿足IEC I 類及以上具抗臺特別設計的4 種主流風電機組進行比選。結合機型的配套輪轂高度及周邊限制性因素，按輪轂高度125 m 進行分析。4種比選機型的技術特性如表3 所示。

表3 不同型號方案風電機組技術特性表Tab.3 Table of technical characteristics of wind turbines with different model schemes

從表3 中可以看出，WTG1～WTG4 4 種比選機型的IEC 等級均為S，滿足本項目抗臺要求的S 類風電機組要求。本文進一步從發(fā)電量、工程投資和經(jīng)濟指標等方面對以上4 種方案進行比較，如表4所示。

表4 各比選機型方案技術經(jīng)濟性比較表Tab.4 Technical and economical comparison of schemes of various models

從發(fā)電量上看，WTG1～WTG4 4 種機型方案年上網(wǎng)電量分別為25.62 GWh、24.53 GWh、17.44 GWh和19.75 GWh；WTG1 年上網(wǎng)電量最高，WTG2 機型方案次之。從工程投資上看，WTG1～WTG4 4 種比選機型方案的單位千瓦靜態(tài)投資（不含送出）分別為9 042 元/kW、8 522 元/kW、6 302 元/kW和8 299 元/kW，WTG3 機型方案的單位千瓦靜態(tài)投資最低，WTG4機型方案次之。從經(jīng)濟性上看，WTG1～WTG4 4 種比選機型方案的項目投資財務內(nèi)部收益率（所得稅前）分別為17.29%、19.19%、13.21%和14.68%，資本金財務內(nèi)部收益率（所得稅后）分別為15.38%、17.15%、11.43%和12.97%。綜合來看，WTG2 機型方案經(jīng)濟性最優(yōu)，WTG1 機型方案次之。通過以上分析，采用WTG2 型每年上網(wǎng)電量可達24.53 GWh，每年可減少CO2排放約1.425 1 萬t，節(jié)約用電成本0.233 億元，實現(xiàn)較大的經(jīng)濟和生態(tài)效益。

4 結論

1）分析了穿山港區(qū)風資源潛力，場區(qū)125 m 高度主要風向分別為NNE、N，主要風能方向分別為NNW、N；港區(qū)風向和風能呈現(xiàn)出季節(jié)變化規(guī)律和日間不同時刻的變化規(guī)律，最大月平均風功率密度出現(xiàn)在12 月，為343 W/m2，最小風功率密度出現(xiàn)在6 月，風功率密度為133 W/m2；港區(qū)風速和風功率在清晨8 時至午后1 時風速處于較低水平，下午至傍晚逐漸增加，晚間8 時達到最高點。

2）對港口風力發(fā)電機組的選址進行了分析，綜合考慮海塘、港區(qū)辦公樓、電力線路和道路以及港區(qū)現(xiàn)有堆場布置等限制因素，選擇了3 個適宜建設風力發(fā)電機組的位置。

3）對港口風力發(fā)電機組的選型進行了分析，選擇市場上滿足要求的4 種主流機型進行分析，從技術特性、發(fā)電量、工程建設成本以及經(jīng)濟性等因素進行了分析，最終選擇WTG2 機型。

4）對風力發(fā)電機組的效益進行了分析，采用WTG2 機型風力發(fā)電機組，每年上網(wǎng)電量可達24.53 GWh，可減少CO2排放1.425 1 萬t，節(jié)約用電成本0.233 億元，實現(xiàn)較大的經(jīng)濟和生態(tài)效益。