阳高长城风电场微观选址设计

2016-09-02赵彦贤

水利水电工程设计 2016年2期

关键词：测风塔气象站风能

赵彦贤周磊李鹏

阳高长城风电场微观选址设计

赵彦贤周磊李鹏

风电场微观选址目的是确定风机机组的具体安装位置，使整个风电场具有更好的经济效益和更高的安全性，也是风电场后续设计工作的主要依据。根据阳高长城风电场的设计经验，阐述了山地风电场微观选址工作的过程和要点。

气象站测风塔发电量湍流极大风速

阳高县地处温带大陆性季风气候区，受季风影响，四季鲜明，春季气温回升很快，夏季气候温和，秋季气温逐渐下降，冬季较春夏秋三季显得漫长。阳高长城风电场工程位于山西省大同市阳高县西南部，紧邻大同市新荣区，场址区规划面积15.86 km2，海拔高程为1 450～2 115 m，规划容量38 MW，拟安装25台单机容量为1500 kW的风电机组。场区属典型的山地地貌类型，山顶植被稀少；沟坡地带多有林地，植被较为茂密，地形相对高差一般在100～200 m，最大高差近400 m，多变的地形条件给风机的微观选址工作增添了很大难度。

1 风电场建设流程

风电场的建设流程为：风能资源测量与评估、风电场设计、风电场施工、风电场运行及维护。在风电场设计中，风电场的选址工作是其中的重点和主导步骤，选址工作又分为宏观选址和微观选址两部分。

风电场宏观选址是通过对一个较大的区域的风能资源、并网条件、交通运输、地质条件、地形地貌、环境影响和社会经济等方面考察后，选择出风能资源丰富、最有利用价值的小区域的过程；风电场微观选址是对宏观选址工作的精细化和具体化，确定风机机组的具体安装位置，使整个风电场具有更好的经济效益和更高的安全性，这也是风电场后续设计工作的主要依据，如风电场场内道路、集电线路、升压站等土建工程的设计工作都围绕着微观选址成果来进行。

2 微观选址设计过程

按照《风电场施工图设计阶段勘测内容深度与技术要求》，首先根据风电场实测气象数据、风电场地形资料、野外调查得出的场地粗糙度状况等进行内业风机定位，计算发电量、满发小时数等；然后根据风机内业微观选址的坐标进行现场踏勘，熟悉风电场区域内地形地貌，详细调查和记录风电场区域植被高低和疏密程度、房屋范围及高度等；最后综合考虑道路、施工平台、障碍物的影响等因素，根据现场微观选址和高比例尺地形图最终确定风机坐标，并进行资料整理、统计、分析和计算，提出本项目风资源评价和微观选址报告。

在该风电场微观选址中应重点注意以下几点：

（1）在充分利用风电场内风能资源，即尽量在风资源好的地方布置风机的前提下，尽量集中布置风机群，以尽量减少风电场内道路和集电线路投资。

（2）风力发电机组尽量集中布置，可以减少风电场的占地面积，充分利用土地，在同样面积的土地上安装更多的机组；可以减少电缆和场内道路长度，降低工程造价，减低场内线损。

（3）尽量减小风电机组之间尾流影响。一般情况下。垂直于盛行风向为行，平行于盛行风向为列。为减小机组之间尾流的影响，行间距5D～9D（D为机组的风轮直径），列间距3D～5D。

（4）避开障碍物的尾流影响区。

（5）满足风电机组的运输条件和安装条件。

2.1 气象站资料分析

2.1.1 参证气象站概况

阳高县气象站位于山西省东北部，位于县城东北部，北纬40°22′，东经113°46′，拔海高度1 050.3 m。风速仪器距地高度10.2 m。

2.1.2 平均风速年际变化

根据阳高气象站1981—2013年33年平均风速资料统计：多年平均风速为2.03 m/s，年平均风速最大为2.53 m/s，年平均风速最小为1.69 m/s。具有比较明显的季节变化特点。

2.2 测风塔资料分析

2.2.1 测风塔概况

本期风电场收集到了2个现场70 m高度2534#、2505#测风塔的测风资料。两测风塔所在地理位置海拔分别为1 822 m和2 093 m，在塔高70、50、30、10 m处安装风速传感器，70 m和10 m高度安装风向传感器。

2.2.2 测风数据整理

本次微观选址利用风场内的2534#、2505#测风塔2012年1月1日～2012年12月31日一年的测风资料进行分析，暂称为测风年系列。

为了有效评估风电场的风能资源，对原始的测风数据进行验证，检查其完整性和合理性，检验出不合理的数据和缺测数据，并对其进行处理。经过适当处理,整理出一套连续一年完整的风场逐小时测风数据。

2.2.3 实测年风能要素计算

2.2.3.1 湍流强度计算

湍流是指风速、风向及其垂直分量的迅速扰动或不规律性，是重要的风况特征，计算公式为

式中 IT——湍流强度；

σ——某时段风速的标准偏差，m/s；

v——某时段平均风速，m/s。

根据2534#、2505#测风塔实测数据，可以计算得到70 m高度特征湍流强度为0.132、0.148。

2.2.3.2 50年一遇最大风速计算

根据阳高气象站的数据统计，风速的年最大值采用极值I型的概率分布，其分布函数为：

式中 μ——分布的位置参数；

α——分布的尺度参数。

分布的尺度参数α、均值μ和标准差σ的关系按下式确定：

Vi为连续n个最大风速样本序列（n≥15），系数C1和C2可以查表得出。

阳高气象站50年一遇最大风速按下式计算：

依据已有数据和上述公式，计算得出阳高气象站50年一遇10 min最大风速为19.4 m/s。

通过阳高长城风电场范围内的相关历史气象资料的调查分析，并对阳高气象站和2534#、2505#测风塔同期的逐日风速进行相关性分析后，算出70 m高度50年一遇最大风速为30.7 m/s。

2.2.3.3 IEC等级

根据湍流强度和50年一遇最大风速的计算结果，本阶段判定本风电场属于IECⅢ类风区，可安装IECⅢB类及以上等级的风电机组。

2.2.4 风电场风能资源综合评价

通过对风电场1年测风数据的分析处理，采用参考气象站长系列资料评价2534#、2505#测风塔实测年风资源数据的代表性，并推算代表年各风能要素。场区风能资源综合评价结论如下：

（1）风电场实测年2534#、2505#测风塔70 m高年平均风速、风功率密度分别为6.86、7.12 m/s 和307、295 W/m2。风功率密度等级为2级，属于风能资源较为丰富区，具有开发价值。

（2）风电场全年盛行风向W、WNW、NW，主要出现在冬季和春季。场区全年风能密度较大分布方向总体上为W、WNW、NW。场区测风塔70 m处空气密度为1.02 kg/m3。

（3）风电场2534#、2505#测风塔70 m高度年有效风速3～25 m/s，小时数分别为7 622 h和7 976 h，占总时数的86.8%和90.8%；有效风速4～25 m/s小时数分别为 6 849 h和 7 268 h，占总时数的78.0%和82.7%；有效风速5～25 m/s小时数分别为5 873 h和6 417 h，占总时数的66.9%和73.1%，以上数据表明本风电场有效风时数较高。

2.3 机组选型及布置

2.3.1 机组选型

根据风电机组安全等级分类，风电场预装风电机组轮毂高度处的湍流强度和50年一遇最大风速均能满足IECⅢB类风电机组要求，该风况适用于中低速风电机组，其功率曲线特点为启动和达到额定功率的风速相对较低，与相同单机容量的风电机组比较，叶片较长。

根据风电场的具体情况和计算分析结果，阳高长城风电场微观选址确定采用机型为金风87/1 500机型，单机容量为1 500 kW，轮毂高度为75 m。

2.3.2 机组布置

阳高长城风电场选用28台金风87/1 500 kW,其中T8、T9、T17、T26四台作为备选风机，其余24台为正选机位。本项目利用WT软件进行风电场的资源计算及风电机组的优化布置。WT软件目前在风电场微观选址中应用十分广泛，使用计算流体力学方法（CFD），是一款针对复杂地形的风力资源评估软件，对于本项目的复杂地形较为合适。 WT软件根据地形图、风电场实测数据、以及选用的风机型号，可计算出风电场内任一点的发电量及安全参数，是风机选址的主要参考依据。参照WT软件计算结果，经过综合分析，得出风机布置最优方案，见表1和图1。

2.3.3 其他折减