考虑风向因素的微观选址方法研究

文 | 李长亮

目前关于风电场设计，在宏观选址并测风之后，就进入了微观选址阶段。当拟建风电场得到测风数据后，业主一般委托设计院评估当地风能情况以及风电场建设可行性。当风电场建设预言可行之后，业主会通过风电机组厂家进行机型选型和安全性复核，若是方案不存在问题，微观选址过程就算完成了。微观选址前期工作一般由设计院完成，后期带方案的机型选型、安全性复核以及机位调整需求等由风电机组厂家提出。无论是微观选址前期还是后期，对风资源的准确评估严重影响着后续风电场的设计。经验表明：如果选址不当，两台相邻 200m 的风电机组，其输出功率可能相差 25%以上。这也是风电行业特别重视微观选址的原因。

我国风电近些年进入了低速风电发展时代。现在更是有越来越多的风电场建设到了地形复杂的山地地带。选择复杂地形，考虑的是利用地形变化产生的地面效应，如风速较大的山顶、山口等位置。山地地形在为气流加速的同时，也形成了很多复杂的现象，比如湍流更大，比如某些扇区风切变极其不规律等，这些都影响着风电机组运行的安全性。因此，山地地形需要考虑更多的因素，以保证风电场的安全运行。在现在的风资源评估中，成熟的设计都是考虑了入流角作为安全复核的一个因素，但是对于风电机组不同高度的风向扭转因素却没有考虑，这个因素是现在设计忽略却非常重要的因素，本文提出安全复核应该考虑这个因素，并通过一个实例进行了说明。

考虑扭转效应的微观选址方法

现在风电场的微观选址部分，在选定风电机组机位后的选型和安全复核中，一般工作内容有：风资源处理、气候极端条件查询、50年一遇极大风速计算、数据长期订正、发电量计算、湍流计算、尾流计算、入流角判断、风电机组疲劳以及极限载荷复核等。在风电机组疲劳以及极限载荷复核中，考虑的有平均风切变、AK值、入流角、湍流、平均风速、50年一遇极大风速、密度等信息。从当前实际投标来看，几乎各个厂家的考虑因素是一致的，这可能是使用相同的设计软件或者设计方法导致的。当然各个厂家的结果也会存在不同，比如对于湍流的计算，使用不同的软件得到的结果就不同。当然，也有的厂家走在科技的前沿，对一些问题进行深入研究，但是受限于各种因素，不可能在所有的投标项目中完全展现出来。以前风电建设都是选择优质机位进行布机，而现在由于资源紧张，很多时候是能布机就布机，再加上山区地形复杂，如果考虑不周全，则会留下安全隐患。

在一些对气流的解释中，很多是把问题简化为二维，然后去分析。而二维结果有可能会疏漏一些信息，有时这些信息又是非常重要的。比如独立的山丘模型。若是直接简化为二维去分析，得到的结果就是山顶风速最大。当然根据坡度不同，山丘前后会有不同的现象，这里不做过多讨论。但是如果按照三维去分析，就会得到更多的信息。当气流通过丘陵或山地时，由于受到地形阻碍的影响，在山的向风面下部，风速减弱，且有上升气流；在山的顶部和两侧，风速加强。这比二维分析多出了山两侧的风速信息。在实际中，很少是独立山丘这么简单的地形，对于复杂山地，局部地形对风流的加速、对风向的偏转是造成风电场微观选址的难题所在。这些问题在当初只有WAsP等一维计算模型的时候，是无法准确解决的，只能结合分析结果，加上经验分析以及理论分析。而现在发展的全三维的CFD模拟计算，则更加有效地解决这些问题。整个行业对于复杂问题的理解也是越来越深入。

本文通过大量的项目以及现在市场招投标过程，总结了现在微观选址风电机组厂家复核阶段主要流程和考虑因素，如图1所示。

在现阶段的计算和研究中，普遍没有考虑风电机组不同高度上水平风向角度的偏差问题。气流实际上是三维的，相对于风电机组叶片旋转平面，气流会有两个偏差角，一个是入流角，这个角度是气流与风电机组叶片旋转平面的垂直风向的角度，这在现在工程中已经加入考虑，但也只是限于在计算的轮毂高度上的数值；另一个是水平方向的偏差，如图2所示。简化的动量定理理论分析，来流的总能量实际上是垂直于叶片平面的速度分量产生的能量。若是角度有偏差，实际上，相当于降低了来流的总能量，那么风电机组吸收的能量也随之降低。不仅如此，上下气流的不均匀也会给风电机组载荷带来安全运行隐患。

在平原等简单地形，由于风电机组运行在离地几十米以上高空，理论上不太会出现这种随高度不同风向扭转剧烈的情况。但是现在的山地地形却有出现这种情况的隐患。因此，本文认为，在微观选址中应该对这一方面加强考虑。

图1 微观选址过程

图2 WT计算示意图

图3 风向玫瑰图

图4 风向能量图

项目实例

国内某风电场在2012年立塔测风，经过为期一年的实测，发现此风电场风质较优。其平均风速在6.01m/s左右，并且湍流较低。对测风数据进行处理，得到其风向频率和风向能量如图3、图4所示。

风资源评估采用成熟商用软件Meteodyn WT 5.3。采用软件默认参数进行计算，风电机组轮毂高度选择90m，机型选择SE13125（风轮直径131m，额定功率2500kW）。布机分为相对独立的两部分，西边机位有7台机位，东边部分有12台机位。排布如下图5所示。

经过计算，得到本风电场的AK值、平均风速、发电量、尾流、密度、入流角等主要信息。表1为机位主要信息汇总表。

分析得到发电量在可接受范围之内，结合湍流的计算结果，再经过逐个机位安全性复核认为，这些机位都可以正常使用。

图5 WT计算示意图

表1 机位主要信息汇总简表

然而加入不同高度气流扭转角度的因素进行分析发现，以西边机位为例，通过计算各个高度上的风向信息（图6）。这里的扭角经过了换算，指的是本高度的水平风向角度和90m高度的水平风向角度的偏差。可以看出，对于大部分机位，在10m高度以上，扭角就变得非常小，可以忽略不计。但是A16机位离地25m高度扭角仍然有7.8度；A18机位在离地28m仍然有9.4度。对于本型号风电机组，叶轮运行于离地24.5m以上高空。因此，从风资源分析，这两个机位运行环境比其他机位要差很多。因此需要更加细致的单机安全复核。按照个人经验评估，在空间充足的情况下，要优先调整这两个机位，或者优先舍弃这两个机位。这个结论是使用以往方法所得不到的。

图6 不同高度水平风向角度图

结论

随着风电场地形越来越复杂，在实际工程设计中，应该考虑越来越多的因素。在工程经验积累和计算方法发展情况下，行业对于风电场设计的认识也越来越深入，有一些新的发现也会增加到风电场设计的考虑因素之中。本文提出在微观选址中应该考虑将不同高度气流的水平扭转因素添加到风电场设计微观选址中，并通过一个实例，得到了更好的微观选址结论。

摄影：罗泽强