复杂地形条件下的风电场风机机位布置研究

张 升，孙江平

（1.国家核电山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.华东电力设计院，山东 济南 250013）

复杂地形条件下的风电场风机机位布置研究

张 升1，孙江平2

（1.国家核电山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.华东电力设计院，山东 济南 250013）

简要介绍了风力发电机组机位布置的影响因素，同时以大唐黄岛风电场工程设计为例，提出了一种复杂地形条件下实用的风机机位布置方法。针对复杂地形条件下风机的布置，采用风图谱分析和应用软件(WASP)，通过对风电场风资源和地形的分析研究，实现风机机位的优化布置，提高风机的效率。

风电场；复杂地形；机位布置；WASP

0 引言

风力发电场在一般地形区域如海上、草原等平坦地势布置时，气流扰动规律性较强，但在复杂地形条件如山区、丘陵地带，地形变化较大，气流在风电机叶片、山峰、沟谷、树木等诸多因素的影响下，气流变化非常复杂。风电场的设计过程中，风电机组的机位布置是影响风机效率和风电场发电量的重要因素，为了更充分的利用风能资源，提高风电机组的负荷率。设计时应根据有关风能资料、地形条件予以优化［1］。

应用丹麦实验室开发的Riso WASP风图谱分析和应用软件，针对大唐黄岛风电场工程中遇到的风机机位布置问题，提出了一种实用的工程设计方法。该方法应用WASP软件绘制出风能资源分布图，通过分析风场各个区域地形走势和风资源密度，选择风机落点。通过分析对比多个备选风机落点年上网发电量，确定了风机最终落点。

1 风力发电机组机位布置影响因素

在风电场设计过程中，通过对一个较大地区的风力资源、湍流强度、电网接入、交通、地质情况等多种因素进行综合考察，确定出风电场的位置。

在海上、草原等平坦区域，风能资源在风电场内的分布几乎没有变化。而在山区、丘陵等区域，由于地形变化较大，风电场中各个区域风能资源分布不均。风电场场内的风能分布情况除受到地面粗糙度、风机尾流、障碍物的影响外，还会受到地形变化、季节风、沟谷风等的影响，其中最主要的是风机机位海拔高度变化的影响。海拔高度变化是复杂地形条件下风电场内风能分布最主要的影响因素。同时，地形变化形成的山脊、河谷、盆地等地貌形式，造成的迎风面、背风面、峡谷效应等情况，造成风电场内各处风速与风向变化大，因此，在风机机位布置时应根据具体情况综合考虑［2］。

山地等复杂地形条件下风电场的风机布置中，在风机布置间距满足风机尾流要求的前提下，应充分考虑地形对风资源的影响，结合场址的大小和地形特征，对风电场风能分布进行深入的分析和研究，最终确定风机的机位布置［3］。

2WASP软件介绍

目前，风能资源的评估主要是借助认可的商业化专业软件来完成的，例如WASP，Wind Farmer，Wind Pro等。其中，风图谱分析及应用软件WASP是用于风电场微观选址的常用的资源分析工具软件［4］。

WASP应用软件，是丹麦Riso国家实验室气象和风能部开发出来的，其主要功能是对某地的风能资源进行评估，WASP应用软件已成为风能领域工作者不可缺少的工具之一［5］。

WASP软件的主要计算模块包括原始风数据分析模块，风图谱生成模块，风况特征估算模块，理论年发电量估算模块。应用WASP软件，进行风电场设计的核心计算流程包括：生成该地区风图谱的过程；获得风电场中特定点风况特征的过程。

3 风力发电机组的优化布置实例

3.1 大唐黄岛风电场工程概况

黄岛区位于山东半岛胶州湾南口西海岸。地处东经120°02′至120°18′，北纬35°52′至36°02′。东与青岛市市南区隔海相望，南濒黄海，北、西皆与胶南县接壤，具有良好的风能资源。

拟建中的大唐黄岛风电场总装机容量为27 MW，预计安装单机容量1 500 kW风力发电机18台，预计年发电量约为9 597万kW·h。

3.2 风资源分析

利用WASP软件对测风数据进行分析，风场的风向玫瑰图，如图1所示。

图1 风资源风向玫瑰图

由图 1可以看出，该风场的主导风向为 S、SSW，次主导风向为N、NNW。主导风向和次主导风向基本在一条直线上，有利于风力发电机组的布置，风电机组的有效利用率较高。为使风电机组获得最大风能，在理论上，风力发电机组按垂直于NS方向成排布置。

3.3 风功率密度计算

将勘测所得的地形图进行矢量化，得到如图2所示的矢量图。

图2 矢量化后的地形图

将矢量化后的地形图输入WASP软件，通过软件计算，风功率密度分布图，如图3所示。

图3 风功率密度分布图

由图3可以看出，风功率密度随山体地势起伏变化，海拔高度越高的地方风功率密度越高，最高点高达870 W/m2，海拔高度低的地方风功率密度仅有68 W/m2。风力发电机的布置点优先考虑布置在风功率密度高的地方，但同时还需要考虑风电场建设期间大型机械设备和风力发电机组的运输问题。

综合考虑投资造价、经济回报和对原有地形环境保护的因素，选出了较为合适的18处风力发电机布置。

该方案风力发电机组发电量及尾流影响结果见表1。

从表中数据结果可以看出，14号和17号风机尾流较大，分别为10.63%和14.17%，大大影响了风力发电机的效率，需要局部调整对其进行优化。

详细地形图如图4所示，从图中可以看出，17号风机几乎位于14号风机正北方245 m，地形上17号风机位于水库南岸山谷北段，该处地形粗糙度变化较大，同时受东南侧沟谷风的影响。风机排布位置上，17号风机与14号风机相互位于主导风向S风和次主导风向N风的正后方，夏季以南风为主，17号风机受14号风机的尾流影响严重；冬季以北风为主，14号风机受17号风机的尾流影响严重。两台风机在沿主导风向上距离相对太近，受季节风影响导致尾流影响较大，影响了风机的效率。

表1 发电量及尾流结果表

图4 详细地形图

通过对地形图的分析，尝试将17号风机向西北方向拉远，布置于水库西南侧，如图5所示。

此时17号风机和14号风机间距352 m，发电量计算结果如表2所示。

由表1、2及图4、5对比可以看出，沿主导风向随风机间距离拉远，尾流影响下降，14号风机发电量上升，但17号风机发电量降低，两台风机总发电量由7.624 GW·h变为7.373 GW·h。

原因分析：随着两台风机间距拉远，尾流影响减小，但17号风机海拔高度也随之降低，由原来的132 m降低到112 m，海拔降低，风速降低，风功率密度也随之降低，故14号风机虽然尾流降低、发电量升高，但两台风机总发电量是降低的。

表2 17号风机移动到水库西南侧发电量结果表

再次将17号风机进一步拉远，布置到水库西北角平地上，如图6所示。

图5 17号风机移动到水库西南侧

图6 17号风机移动到水库西北侧

此时17号风机和14号风机间距486 m，发电量计算结果如表3所示。

对比表1、2、3及图4、5、6可以看出，随着14号风机与17号风机之间距离进一步拉远，14号风机尾流减小，发电量上升，17号风机尾流也随之降低，但17号风机发电量下降。从表3中还可以看出，随着17号风机向北拉远，16号风机的尾流由9.3%上升至10.5%。

表3 17号风机移动到水库西北角发电量结果表

原因分析：17号风机发电量继续下降，再次验证了上次分析结果，海拔由112m继续降低到100m，故风功率密度继续下降，导致发电量也随之下降，虽然从风机间距上压低了尾流，但发电量急剧下降，从经济投资回报上来讲是不合理的。同时，16号风机尾流上升，发电量微降。

再次分析图1发现，北风中有占较大频率的东北风，随着17号风机向北拉远，17号风机占据了东北风吹向16号风机的通道，故16号风机有较大尾流，发电量下降。

从上面两次移动17号风机可以看出：从初始的17号风机位置到水库西北方的位置，17号风机与14号风机相互影响减少，但总发电量减少。同时，17号风机的新位置占据了16风机东北风通道，增加了16号风机的尾流，使其发电量下降。

结合风资源情况，重新分析一下原17号风机周边地形特点，详见图6。楔形水库北段顺着水库走向延伸出一端西北—东南走向的山谷，南面是14、15号风机所在的山峰，由风向玫瑰图看出，主导风向为N、S，另外加一定比例的NW、NE、SW，由该风向频率分布可以看出，该谷口地区利于风能利用，南风经过14号、15号风机后，经过一定距离的延伸，尾流减小到一定程度，北风从谷口吹过，一部分顺山谷地形吹向东南，一部分向南沿山坡爬升至14、15号风机位，对14、15号机位湍流强度有一定影响。由于山谷西北—东南走向，谷口东北和西南对14、15号风机影响程度不一样，谷口东北离14、15号风机较远，相互尾流影响较小，故将17号风机尝试利用谷口东北的位置，那么这将拉近了与18号风机的距离，会增加17号与18号风机之间的影响。因此，必须将18号风机向东北方向继续移动。观察18号风机移向地区的地形，发现此处恰巧有一与水库北段山谷形状、走向极为相似的小山谷，并且该小山谷的南面有一较大山坡，海拔高度172 m，与山谷边缘海拔125 m相差不到50 m，将18号风机布置于此，考虑70 m的塔筒高度，18号风机正好风向切过山坡，N、S、NW风向都有利于应用。

故将17、18号风机布置如图7所示。

图7 17号、18号风机分别布置于两个山谷东北口

此时发电量计算结果，如表4所示。

表4 17号、18号风机分别布置于两个山谷东北口发电量结果表

对比表3、4可以看出，利用两个山谷后的14、15、17、18号风机尾流损失均控制在允许值范围内，并且发电量也随之提升，由此验证了对17、18风机机位的分析。

4 结论

基于工程实例，简要介绍了风电场设计中复杂地形条件下风机机位布置方法。重点介绍了该工程一处风机机位选点布置，通过对风资源和实际地形的分析研究，灵活巧妙的对季节风和沟谷风加以充分利用，实现了风机机位的优化布置。

山地地形风电场的风能分布随地形变化而具有一定的特殊性，在实际工程设计中，应根据不同地区的风电场地形、地貌的差异，结合工程经验与实际情况布置风机，从而达到风电场微观选址合理及优化的目的。

［1］宋海辉.风力发电技术及工程［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.

［2］白绍桐，胡晓春，等.风电场微观选址工作的探讨［J］.华东电力技术，2008，30（3）.

［3］于力强，苏蓬.风电场选址问题综述［M］.中国新技术新产品，2009，7.

［4］周荣卫，何晓凤.三种方法结合为风电场选址.中国气象报，2007，2.

［5］梁水林.风能资源的评估及风电场场址的选择［J］.电力勘测，1997，3.

Study of Wind Power Generator Arrangement in Complex Terrain

In this paper，the factors of wind generator arrangement are described，one method of wind generator arrangement in complex terrain is presented which is used to the design of the Datang-Huangdao wind farms.Advanced wind resource analysis and application program (WASP)is used to the arrangement in complex terrain.Through the wind farm wind resources and terrain analysis，the arrangement of wind generator is optimized，meanwhile the efficiency of wind generator is improved.

wind farms；complex terrain；wind power generator arrangement；WASP

book=23,ebook=6

TM614

B

1007－9904（2010）04－23－04

2010－03－17

张升（1982-），男，本科，主要从事风力、火力发电设计、电网变电设计工作。

孙江平（1982-），男，硕士，主要从事电网变电设计、风力发电设计工作。