WMS软件在风电场微观选址中的应用

王源，刘玮，王霁雪，李伟宏

（1.北京木联能软件技术有限公司,北京 100085；2.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安 710065；3.水电水利规划设计总院,北京 100011）

风电场微观选址是指在宏观选址选定的小区域中确定如何布置风力发电机组，使整个风电场具有较好的经济效益。风机微观选址质量的高低，直接关系到风电场发电量高低、风电场建设投资的成本，以及风机的使用寿命[1]。一个高质量的风电场微观选址，应在一定的风电场范围内，使风电场发电量最大化，同时应避免风机尾流、湍流过大，以及特殊地形造成对风机机械部件的损坏[2]。因此，风电场风机的微观选址对于风电场建设和运行是至关重要的。

目前国外已有一些进行风电场微观选址的软件，主要有Wind Farmer、Wind Pro、Meteodyn WT和Windsim软件，都是基于WAsP风能资源文件进行计算，可以对风力发电机组选址进行自动优化、确定风力发电机组尾流影响、确定并调整风力发电机组间的最小分布距离、对风电场进行噪音分析及预测等，该系列软件大多只考虑了经济性方面，而考虑安全性因素则相对较少。国内微观选址软件WMS软件则同时考虑经济性和安全性，为风电场微观选址提供更完善的解决方案。本文将通过WMS软件，对张北坝头风电场的风机布置进行优化处理，以了解该软件在风场设计中的应用情况。

1 WMS软件简介

WMS（Wind Site Specification&Wind Turbine Micro-Siting Software，简称WMS）即风电场工程特性分析与微观选址软件，是北京木联能软件技术有限公司与水电水利规划设计总院、中国水电工程顾问集团公司联合开发的用于风电场微观选址的软件。该软件从经济性和安全性2个方面来考虑。经济性是在考虑环境限制和地形限制条件下，优化布置风机，使风电场发电量最大化。安全性是指分析计算整个风电场及各初选风机机位的湍流强度和50年一遇最大风速。

风电场的微观选址，首先应对风场的风能资源分布进行分析，当前使用较多的风电场风资源分布分析计算软件主要有：适用于平坦地形的WAsP软件和我国具有自主知识产权的发电量分析计算软件（WEPAS）等。WMS提供2种风资源数据接口，一种是利用WEPAS的三维风场诊断模式诊断出风场逐时的风能资源数据，一种是解析WAsP风资源数据。WMS可运用WAsP或WEPAS计算的风电场范围内风能资源分布数据文件，对风电场内的风机排布进行优化选址，并对整个风场及各初选风机机位进行安全性复核计算。

2 应用实例

张北坝头风电场一期工程位于河北省张北县境内，场址中心距离张家口市60 km，距离张北县约20 km，G207国道从风电场附近通过，对外交通条件较好。工程区占地范围，东西长约8 km，南北宽约6 km，总面积为48 km2，实际可利用风电场布置面积约40豫。风能资源比较丰富。场址地势西南高，东北低，属高原草原区。本期工程装机规模99 MW，安装66台1 500 kW风力发电机组，预计2009年底全部机组并网发电[3]。坝头风电场测风塔资料数据如表1所示。

表1 坝头风电场测风塔资料表

坝头风电场一期工程装机容量为99 MW，本次计算以66台华锐SL1500（77）型风电机组作为计算依据，在风场区域内，对风力发电机位置进行优化布置。

本次计算首先运用WAsP软件计算风场风功率密度空间分布情况，进行初始布机，即按照风资源分布图显示的风资源大小，并考虑风机间距，手动将66台华锐SL1500（77）型风电机组放置在风资源较大的位置，计算初始布机方案下的风场发电量；然后导出风资源栅格文件，用以导入WMS软件中对风机位置进行优化，使发电量最大化；并计算整个风场的湍流强度和50年一遇最大风速，分析初选风机机位是否对风机安全有不利影响，减少风机的寿命。

2.1 WAsP软件计算发电量

根据风场测风塔的测风数据、风场地形图、风机的功率曲线和推力系数，利用WAsP软件计算标准状态下的风场内风资源空间分布情况和理论年发电量。

进行初始布机时，在可利用的场址范围内，本着风电机组尽可能布置在风功率密度相对较高的位置，根据风场盛行风向确定合理的行列间距，并且使风机间的尾流影响尽量小等原则[4]，手动添加66台机组进行初始布置，布机方案如图1所示。

图1 WAsP软件计算坝头风场风机机组初始布置方案

初始布机后，运用WAsP软件计算66台风机发电量，得出的66台风力发电机组理论发电量之和为393 626.9 MW·h，尾流影响后发电量为366133.1MW·h，年可利用小时数为2 440 h，尾流损失为6.98%。

2.2 WMS计算结果

2.2.1 WMS计算发电量

通过WAsP软件计算得到的测风塔处以及风机布置区域内的风资源栅格文件，在WMS软件优化风机机位前导入WAsP计算的风资源栅格文件，这样保证两软件中的工程有同样数量和步长的区域网格以及计算发电量所需的weibull参数值；然后设定风机布置区域、输入华锐SL1500（77）型风电机组的机型参数，进行初始布机，初始布机方案同前。

初始布机后，即可对风场风机进行优化布置。优化的限制条件有：优化时考虑的最大坡度值为15毅；风机最小间距为4倍轮毂直径；优化的结束条件为总迭代次数1 000次，无效迭代次数100次。进行反复优化迭代，经过对风场发电量和尾流影响的综合比较，得到较优的风场发电量以及风机布置方案。风机机位经过优化后如图2所示。

图2 WMS软件计算坝头风力发电机组布置方案

运用WMS计算此方案得到的66台风机的理论年发电量为407 399.4 MW·h，经尾流影响后年发电量为389 914.9 MW·h，尾流影响为4.29%，年可利用小时数为2 599 h。

2.2.2 WMS计算安全性

优化风机机位主要是从发电量最大化来考虑，而没考虑风电机组的安全性，WMS软件考虑风电机组的安全性，可以进行风场任意位置的湍流强度和50年一遇的最大风速，用以分析对风力发电机组产生的不利影响。

湍流计算是根据国标《风电场风能资源评估方法》GB/T18710-2002定义的计算方法进行计算的，即湍流为十分钟风速标准差与平均风速的比值；50年一遇最大风速是基于张北县气象站提供的连续30年最大风速序列资料进行计算。通过计算得到的风场风机轮毂高度的湍流强度分布图和50年一遇最大风速图分别如图3、图4所示。

图3 风场65 m湍流强度分布

图4 风场65 m50年一遇最大风速分布

从计算结果可以看出，风场湍流强度范围在6.8%左右，小于10%，表明湍流强度值相对较小；50年一遇最大风速大在23.2～23.9 m/s，不会对风机安全产生不利影响。从分布图中可以方便的找到湍流强度和最大风速相对较大的位置，对优化后风机位置的选定具有一定的参考作用。

2.3 优化结果分析

WAsP软件采用初始的布机方案计算风场风资源分布和发电量，WMS基于WAsP生成的风资源文件对初始布机方案的机位进行优化。对比图2和图3可见，经过WMS软件的优化计算，66台风机在满足优化限制条件的前提下，均布置在风功率密度较大的位置；2个软件计算的风电场年发电量、尾流影响和年利用小时数计算结果见表2。

表2 优化布机前后发电量对比

由以上对比分析结果可以看出，经过WMS软件的优化布机计算，风场的年净发电量由366 133.1 MW·h增长到389 914.9 MW·h，增长了6.5%，尾流影响也明显小于WAsP。通过优化前后发电量对比可知，WMS软件可以使风场有较优的风机布置方案，从而使发电量较大，有更好的经济效益。并且通过风场和风机初选位置的湍流强度和50年一遇最大风速的计算，可以对优化后的风机进行安全性分析，使风场的布机方案更加完善。

3 结论

WMS对张北坝头风电场的优化布机计算结果可知，该软件不仅可以通过优化风机位置来提高风电场发电量，使风场有更好的经济效益，还能从风机安全性的角度出发，分析湍流强度和50年一遇最大风速对风机产生的不利影响，做到了经济性和安全性相结合；另外，WMS软件还有强大的图层编辑功能和图与属性的查询功能，为风机布置设计提供了极大的便利性，为风电场微观选址提供更完善的解决方案，表明WMS软件在风电场工程项目微观选址设计有很好的实际应用，但是由于个别风电场实际场址区的区域地质条件差异性很大，因此须根据具体实际情况，合理而又灵活地运用优化布机方案。

[1]杨振斌，薛桁，袁春红，等.用于风电场选址的风能资源评估软件[J].气象科技，2001，29（3）：54-57.

[2]孙宁宁，刘玮，董德兰.风能及发电量分析计算软件在坝头风电场工程设计中的应用[C]//王民浩.2008年中国风电技术发展研究报告:2008年中国风电技术研讨会会议论文.北京：中国水利水电出版社，2008：57-65.

[3]沈洁，易跃春.风电场选址浅析[C]//王民浩.2008年中国风电技术发展研究报告：2008年中国风电技术研讨会会议论文.北京：中国水利水电出版社，2008：116-121.

[4]宫靖远.风电场工程技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004：76-78.