河南S低风速风电场微观选址研究

舒永富（河南理工大学，河南　焦作　454000）

河南S低风速风电场微观选址研究

舒永富
（河南理工大学，河南焦作454000）

根据国家发展和改革委员会规定，河南省区域属四类风能资源区域，风能源资源较三北、沿海地区有一定差距，但极端大风天气较少，适合大叶片机组的运行。河南省已建、在建风电场工程均属于山地风场，地形复杂，在既定资源条件下，项目单位推崇尽量利用大叶片风机，并结合地形、地貌特点，进行机位布置，但由于布机位置有限，受风机尾流影响大叶片机组不能整装风电场，在追求效益最大化的指导目标下，进行115型号机组与105型号机组混装。本文旨在对3种微观选址方案进行分析比选，并确定能取得最大收益布机方案。

风电场；微观选址；尾流；风力发电机组

1　引言

本文为对《河南省S风电场风电场可行性研究报告》风机布置方案进行微观选址复核计算。

本文采用的原始测风数据及地形图由项目单位提供，本文主要工作内容是：

（1）对风电场测风数据的完整性、合理性进行复核，修正整编完整的测风数据，并进行发电量复核计算分析。

（2）对风机布置及微观选址方案进行优化。

2　风电场风能资源评价

2.1风电场测风概况

河南省S风电工程场址内布设了两座测风塔，测风塔编号为0001#、0002#，0001#测风塔测风高度为70m，0002#测风塔测风高度为40m。设备均为美国赛风公司产品，测风设备使用前经过北京气象局标定，仪器安装时严格按照测试参数进行设置。

2.2测风数据验证及处理

2.2.1完整性检验

《风电场风能资源测量方法》（GB/T 18709-2002）标准中要求现场连续测风的时间不应少于一年。通过对0001#、0002#测风塔的原始测风数据进行统计分析。0001#和0002#两测风塔在测风时段（2010.11.1～2011.10.31）内原始测风数据完整率均相对较好，两测风塔数据原始测风数据完整率分别为95%和93.8%。测风塔缺测数据产生原因主要是由于2009年2月份测风塔遭雷击导致测风设备故障。

拟采用0001#测风塔测风数据进行发电量计算。分析建立0001#测风塔与0002#测风塔之间的风速相关关系，然后根据相关关系对缺测数据进行相关分析弥补；其次根据0001#测风塔自身不同高度之间的风速相关关系，对其它高度层的缺测数据进行相关分析进行弥补。

2.2.2不合理数据处理及有效数据完整率

对风电场原始数据，进行完整性和合理性分析后，检验出缺测数据与不合理数据，经过相应处理，整理出一套连续完整的风场测风数据：

（1）对不合理数据再次分析，找出符合实际情况的有效数据，回归原始数据组。

（2）不合理风速数据：优先使用同塔分层数据相关关系进行插补；在各高度风速同时发生缺测时，选用气象站测风同期的有效数据利用相关方程对缺测数据进行插补；

（3）不合理风向数据：对同一测风塔不同高度风向数据进行对比分析的基础上，对不合理风向数据以同一测风塔其它高度或其它测风塔的合理风向数据进行替换。

根据《风电场风能资源评估方法》（GB/T18710-2002）标准的相应要求，风电场测风有效数据完整率按下式计算：有效数据完整率=（应测数目-缺测数目-无效数据数目）/应测数目×100%。其中，应测数目表示测量期间的小时数；缺测数目表示没有记录到的小时平均值数目，无效数据数目表示确认为不合理的小时平均值数目。依据上述修正原则，对各测风塔的无效数据做相关修正后，将其无效数据转换成有效数据，修正后的测风塔有效数据完整率达到100%。

2.2.3相关性分析

（1）0001#测风塔各层风速相关关系。0001#测风塔不同高度测风数据的相关性（R）值均在0.90以上，各层间高度差越大，相关系数越小，高度越高相邻层之间相关系数越大。

（2）0001#塔70m高度风速与0002#各测风高度风速相关关系。根据0001#测风塔70m高度层在2010年11月7日～2011年10月31日接近一个完整年期间的测风数据，与0002#同期各高度逐时风速进行相关性分析发现001#测风塔70m高度的观测风速与0002#测风塔40m高度的同期观测风速总体相关系数为0.9028，相关关系较好。

2.3风切变指数

风切变指数代表近地面风速随高度变化的一个指标，风速随高度变化服从普朗特经验公式，由于地表粗糙度的不同，风速随高度的变化也不同，利用幂次律的风廓线公式，可求得不同高度的风切变指数。

式中，Vn、Vi分别为高度Zn、Zi处的风速，α为风切变指数，其值与地面粗糙度有关。风切变指数越大，表示风速随高度增加越快，增加塔架高度所获得的能量增量越多，采用高塔架越有利。反之，则不需使用过高塔架。

根据测风塔在2009年7月1日～2010年6月30日期间的测风数据，统计各测风高度层的年平均风速及风切变指数，其中70/50m高度风切变指数为0.098、70/30m高度风切变指数为0.106。再利用幂指数函数对测风塔风速随高度变化的规律进行拟合。

从各高度风切变指数变化情况看，0001#测风塔风速随高度的增加而增加，其中，70/30实测风速风切变指数最大，为0.106，30/10实测风切变指数最小，为0.070，幂指数拟合的风切变指数为0.085。本项目预选轮毂高度为80m，对于山地地形，风速随高度的变化规律性不强，70/50实测风切变指数为0.098，略微偏大。为保守起见，后文在不同轮毂高度处风速推算时均按0.085进行计算。

2.4空气密度

空气密度取决于风电场当地温度和气压。

ρ=（353.05/T）exp[-0.034（Z/T）]

式中：

ρ为平均空气密度（kg/m3）；

Z为风场海拔高度（m）；

T为风电场多年空气开氏温标绝对温度（℃+273）。

9217#测风塔实测年平均温度为14.2℃，年平均大气压为95.22kPa，计算得到测风塔海拔处空气密度为1.152kg/m3。

表1　方案一发电量计算详值

3　风电场发电量复核计算

3.1计算条件、方法及步骤

3.1.1计算前提

（1）风资源数据采用。各方案均采用0001#测风塔在2009年11月～2010年10月一个完整年期间的风资源数据作为代表年进行分析。

（2）风电机组机型。电场共设计安装25台单机容量为2.0MW的风力发电机组总装机容量为50MW。采用标准空气密度下的功率曲线，轮毂高度80m考虑。

（3）风电场空气密度为1.152kg/m3。

（4）由于风电场场址地表植被稀少、多农田，根据地形地貌，地表粗糙度取0.13～0.25。

（5）风机布置。机组以WN主导风能布置在区域内的山脊上。

3.1.2计算方法及步骤

根据其风能资源特点和场区地形条件，按照项目在选定的场区范围和装机规模要求，按尾流影响最小、主风能方向风机间距不小于5倍风机叶片直径长度、垂直主风能方向风机间距不小于3倍风机叶片直径长度、湍流强度小于0.2、入流角小于8°、年发电量最大为原则，利用WindFarmer软件分别对各比选机型方案的风电机组进行优化布置后，再根据风电场地形条件、主风能方向，对部分机位进行了调整，采用MeteodynWT软件对各机型方案风电机组理论发电量和尾流影响进行计算。

本次计算项目单位提供25个机位坐标及其发电量，风场选择的代表机型为UP2000型风力发电机组。本次优化共进行四次计算，分别将其命名为方案一、方案二、方案三。三种方案具体情况见表1～表3。

（3）考虑空气密度、控制和湍流、叶片污染、风机利用率、功率曲线保证率、气候停机影响和厂用电和线损等因素进行折减修正，除尾流影响外，其它各影响总和均按相同折减系数（0.751）计算。

3.1.3计算成果

根据风电场风机轮毂高度处风能资源分布（图3），考虑各种约束条件，采用MeteodynWT软件进行计算。并采用WindFarmer软件进行风机位置排布，根据现场情况做出三种布机方案。

3.2风电场年发电量计算及比较

本次计算除尾流影响外，其他影响产生的折算系数按原发电量计算表中的取值，即为75.1%。

通过详细计算得出如下结论:根据项目单位提可布机位置，通过对布机机位及机型的调整后计算各方案的发电量及利用小时数可见：方案二的利用小时数为2032h，方案一的利用小时数较低为1904h，方案三的利用小时数为2148h，为上述方案中利用小时数最高。由于风场测风区域内可布机点较少，备用机位少，根据风场现场情况，综合考虑各要素建议采用方案三，由9台UP2000-105机型与16台UP2000-115机型混装，风场全年预计发电量为147104MWh，年上网电量107402MWh，年等效利用小时数为2148h。

表2　方案二发电量计算详值

表3　方案三发电量计算详值

结论

本文中方案三符合现场条件，为首选方案，采用9台UP2000-105机型与16台UP2000-115机型混装，风场全年发电量为147104MWh，年上网电量107402MWh，年等效利用小时数为2148h，是以“最大限度利用风资源，风电场发电量最大”原则进行风机优化布置，未考虑场内道路建设、机电设备及安装、基建费用、施工场地等因素的影响，具体技术经济比较需进一步开展专题研究。

[1]张旭.郴州市TTS风电场项目建设可行性研究[D].2012.

[2]庞浩.复杂地形风电场分析及风场选择[D].天津大学，2011.

[3]杨光.风电场可行性分析的关键技术与方法[D].华北电力大学，2013.

指导教师：河南理工大学，高国富。

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