风电场微观选址需要注意的问题

赵瑞

【摘要】各种地形条件下微观选址需要注意的事项。平坦地条件下采取什么样的排布方式降低风电场的整体尾流，如何在复杂地形条件下提高风电场装机容量及发电量？

【关键词】微观选址；平坦地形；复杂地形；尾流；发电量

引言：

风电场微观选址地形条件基本分为简单地形条件和复杂地形条件，其各自微观选址所需要考虑的侧重点不同；简单地形如：我国的甘肃酒泉地区、新疆达坂城地区等，像这样的地形条件下尾流影响整个风电场的发电量，同时单机尾流过大对风力发电机组的长期运行产生不利影响，优化布置风电场时需要整体考虑排布问题，使整个风电场的尾流最小，发电量达到最大化；复杂地形条件如：我国东北地区，像这样的地形条件下微观选址应综合考虑发电量、道路、尾流、湍流、机组吊装等技术指标。关于各种地形条件下的风电场微观选址，需注意问题如下：

一、风资源计算软件的选择

目前计算风电场年发电量的主流软件大致分为两类：一类是基于线性模型下的软件，如WAsP、Windfarmer和Windpro等；另一类是基于CFD模型下的软件，如Windsim和美迪顺风WT等软件；计算简单地形条件下的发电量，基于线性模型下的软件能很好地反映该地区的风况；当地形条件较为复杂时，如当坡度大于17度时，风刮过坡顶时会存在气流分离现象，基于线性模型下的软件不能完全反应该风况，直接导致发电量计算存在较大的误差，最大误差甚至达到30％；基于CFD模型下的软件能很好的反应该风况气流分离现象，电量计算误差相对较小。在不同地形条件下，应选择适合该地形条件下的软件模型计算风电场风力发电机组的各技术指标。

二、风资源计算软件的使用

（一）数字化地图

一般条件下均无已数字化的测量地形图，一般方法：把购买的1：5万的地形图扫描后，人工数字化；由于各工程师的操作方法各异，可能导致部分数字化等高线与实际位置误差较大，导致建模失败。故在处理地图时务必选择最佳的办法来保证自己数字化地图的准确性。同时最后的等高线地图必须向风电场各方向外延5km，至少得2km，保证测风塔在外推到每个风力发电机组时有足够多的地图信息

微观选址之前，务必采集到与地形图相对应的坐标系下测风塔准确的地理位置坐标，否则可能导致计算风电场各风力发电机组的平均风速和年发电量误差较大。

（二）粗糙度的设置

粗糙度设置的不准确，可能导致软件计算发电量与实际产出误差较大。因此，在微观选址前必须到现场踏勘，了解拟建风电场地貌。在现场踏勘前可以以风电场测风塔为圆心，以测风塔到拟建风电场最外沿并外延5km为半径做圆，把此圆平分16象限，通过地图信息分别设置16象限粗糙度；到现场踏勘时复核个象限的粗糙度。定义完粗糙度后，载入计算机反复进行核算，直到得到最优的粗糙度数值。

（三）Weibull拟合修正

测风数据建立Tab文件，一般采用Weibull拟合，拟合风速和实际风速有偏差，需要修正；发电量计算时需考虑本部分的拟合误差。

三、测风数据处理和风电场风力发电机组重要性能指标

（一）磁偏角

目前国内测风塔风向仪安装方向一般为磁北；磁北与真北方向的夹角，称为磁偏角。我国东北地区磁偏角较大，达到10度左右。若不进行磁偏角修正，可能导致计算主风向和主风能方向与实际方向相差一个象限，可能导致在此基础上优化出来的最优发电量与实际发电量误差较大。因此，在处理数据前，必须进行磁偏角修正。

（二）轮毂高度极限风速和平均风速

为保证风力发电机组的安全和长期稳定可靠运行，风力发电机组的设计需要考虑运行环境和电力环境的影响。运行环境可进一步划分为风况和其它外部条件。各类外部条件可细分为正常外部条件和极端外部条件。正常外部条件通常涉及到长期结构载荷和运行条件，该指标主要体现在轮毂高度年平均风速；极端外部条件出现的机会很少，但它是潜在的临界外部设计条件。该指标主要体现在轮毂高度50年一遇最大风速和极大风速。

为了最大限度的利用特定风电场的风能资源，同时保证风电场的安全可靠运行IEC61400-1对风力发电机组进行安全分级。IEC61400-11999第2版风力发电机组等级划分如下：

I₁₅：表示风速为15m/s时的湍流特征值；

在IEC61400-12005第3版中取消了轮毂高度年平均风速指标；只考虑轮毂高度50年一遇10min最大风速和风力发电机组的湍流强度。但咨询国内外风机制造商，其风力发电机组设计仍然考虑了轮毂高度年平均风速；个人认为在微观选址过程中，必须综合考虑轮毂高度50年一遇10min最大风速、轮毂高度年平均风速和轮毂高度湍流强度这3个非常重要的风力发电机组设计指标。

（三）湍流强度

湍流强度是描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度，是风速、风向及其垂直分量迅速扰动或不规律性，是重要的风况特征。风电场风力发电机组所承受的有效湍流强度是由环境湍流和风力发电机组相互之间影响所产生的附加湍流这两部分组成。湍流强度是风力发电机组运行中承受的正常疲劳载荷，是IEC61400-1风力发电机组安全的重要参数之一。风电场湍流强度非常重要，其对风力发电机组性能有不利影响，主要是减少输出功率，还可能引起极端载荷，最终削弱和破坏风力发电机组。在复杂地形条件下，由于受地形条件的影响，环境湍流较大，故在风力发电机组选型过程中需要慎重考虑湍流指标，同时在微观选址时，应该避开环境湍流较大的区域，如：背风坡等。

四、方案优化

风力发电机组制造商为保证其机组在设计寿命内安全运行，规定风力发电机组的最小排布必须保证垂直于主导风向为3D（D为叶轮直径），平行于主导风向5D。但从业主自身角度看，追求投资最小化，利润最大化为其终极目标；在微观选址必须在风力发电机组制造商和投资业主之间平衡，在满足风力发电机组安全要求的前提下，优化排布尽量使风电场年发电量最大，投资最小。

（一）排布方案选择

1.简单地形

简单地形条件举例如下：我国新疆某地一49.5MW风电场，其轮毂高度风向和风能玫瑰图见图4-1：

风向基本呈180度展开，风能集中，有利于风力发电机组的排布。分别取常规的最大排布方式，垂直于主风能方向5D（D为叶轮直径），平行于主风能方向9D的矩阵式排布（暂称为排布方案一）；取非常规的排布方式（暂称为排布方案二）；排布方式一扣除尾流后的净电量为18332万kW·h，排布方式二扣除尾流后的净电量为18490万kW·h，排布方式二的电量比排布方式一的电量高0.86％；同时由于排布方式二比排布方式一的排布紧凑，相对于排布方式一，其场内集电线路和场内道路的距离缩短，投资也下降。

在平坦地形条件下，在主风向和主风能方向较集中的风电场，不应该拘泥于常规的排布方式；可以适当的减小垂直于主风能方向的距离，增加平行于主风能方向的距离，不仅能增大风电场的发电量，而且减小了风电场的投资，使风电场的效益达到最大。

2.复杂地形

我国东北拟建风电场区域均为较复杂的山区，山区植被较丰富，有的地方甚至为原始森林。由于山地地形较复杂，修建进场道路和场内道路投资较大，同时林区地区征地费较高，两项叠加在一块，直接导致风电场投资增大。在复杂的山地地区，在满足风力发电机组制造商各项技术指标前提下，采取灵活的排布方式，最大化的利用有限的土地资源。

取东北某项目为例，取该项目的一处山脊作为比较对象，其测风塔轮毂高度风向和风能玫瑰图见图4-2：

该山脊基本垂直于主导风向，且主导风向和风能方向较集中，在此条件下，比较灵活排布和传统排布的优点。由于拟建风电场区域地形较复杂，运输条件受到限制，拟选用850kW风力发电机组作为比较排布的机型。众所周知，在复杂地形条件下，垂直于主导风能方向3D排布方式风电场发电量最大。

在规定的区域范围内，按照垂直于主导风能方向3D和小于3D排布风力发电机组，经WT软件定向计算后，运用优化排布软件优化得出：在规定区域范围内3D排布能装机11台，容量为9.35MW，小于3D排布能装机16台，容量为13.6MW。3D和小于3D排布两者之间单机平均发电量相当，两者之间场内集电线路和道路长度相对。但小于3D排布在有限的土地上增大了装机容量，减少了单位千瓦风电装机分摊的配套投资（项目前期费、工程管理费、修路与征地费用、升压站与送出工程）。

小于3D排布中16台风力发电机组尾流最大为6％，基本小于一般风力发电机组制造商规定的单机尾流小于8％的要求，且单机有效湍流强度均满足设计要求。

在复杂地形条件下，在主风向和主风能方向较集中，风资源较好的布机区域不应该拘泥于3D*5D最小排布方式，应灵活选择排布方式，最大限度利用有限的土地资源，增加装机容量来减小单位千瓦配套投资。

在简单地形和复杂地形条件下，分别根据其侧重点指标的不同，灵活的选择排布方式，使整个风电场的发电量最大，投资最小，尽量的增大风电场的效益。

（二）人工调整风机机位

如今的风能评估软件大多具有自动布机方案的功能，只需要输入相关的参数以后，软件就会自动的生成布机方案。此类软件自动布机原理为：首先软件搜索到本风电场内风资源最好一点，软件会自动的固定住该位置，以后再搜索下一个风资源稍差的位置，并锁定该机位，如此反复，直到选完整个风电场所有的风力发电机组点位。但该软件只考虑到了风资源情况，并未考虑到场内集电线路和道路问题。复杂地形条件下，林区征地费用较贵且不易征下来，在影响风电场年发电量不大的情况下，尽量使风电场的风力发电机组均处于较集中的位置，不要过于分散，达到减少场内集电线路和道路的长度，减少相关的投资，以此来减少风电场的总投资，使风电场更短期的时间内达到纯盈利水平。

五、发电量计算

准确、可靠的评估一个风电场的年发电量对整个项目起着关键性的作用，直接关系到风电场投资的成败。空气密度的稀薄与否直接关系到风力发电机组功率出力的大小。风电场年发电量的计算应使用风力发电机组制造商提供的现场空气密度下的功率曲线和推力曲线来计算整个风电场的发电量。空气密度和风功率密度成正比关系，但标准空气密度下的风力发电机组的功率曲线和不同空气密度下的功率曲线并不成正比关系。虽然有的软件在内部集成了一个考虑空气密度对发电量的影响，但这些往往是通过简单的关系进行折减，与现场空气密度下的功率曲线和推力曲线计算出的发电量还是存在一定误差。故在计算风电场年发电量还是应该利用现场空气密度下的功率曲线和推力曲线。

六、现场定位

现场实际情况可能会与地形图上的地形发生小地形变化，在现场微观选址定位时不能只考虑风资源，应综合考虑风资源、场内线路、道路、吊装平台、施工平台等多方面因素的影响。

七、结语

根据不同的地形条件，选择相适应的风资源软件，选择合理的排布方式，使风电场发电量最大，投资最小，从而达到风电场最高回报率。

参考文献

IEC61400-1标准2版

IEC61400-1标准3版

风力发电场设计技术规范中华人民共和国电力行业标准DL/T5383-2007