贵州山地地区风力发电技术发展探讨及展望

2021-08-13张雪辉蒋海军左志涛

科技和产业 2021年7期

王强，张雪辉，王星，王喆，王吉，李文，蒋海军，左志涛

（毕节高新技术产业开发区国家能源大规模物理储能技术研发中心，贵州毕节 551700）

风是一种由于地表温度差异引起的气流对流现象，风能是一种可以大规模开发利用可再生的清洁能源［1］。近几年来，随着能源危机的日益加剧，风能发电作为最具有发展前景的风能利用方式，得到了快速的发展。2018 年，全国新增的并网风电装机和累计并网装机的容量分别达到了2 027 万kW 和1.84 亿kW，并网装机的容量增速达到了12.36%。2019 年全国新增风电装机容量和累计并网装机容量分别达到了2 578 万kW 和2.1 亿kW，并网装机的容量增速达到了14%［2-3］。

贵州地区属于典型的山地地形，地势西高东低，局部地区拥有较好的风资源。据文献［4］显示贵州省的风能资源总储量约为79 333 MW，技术开发量和经济开发量分别为13 235 MW 和2 000 MW 以上。在全国风力发电飞速发展的大背景下，近几年贵州地区的风能开发利用得到了快速的发展。2015—2019 年全国风力发电量的复合增速为15.4%。近几年贵州的风电的装机发电量统计如图1 所示，风电的装机发电量由2014 年的11.2 亿kW·h上升至2019 年的78 亿kW·h，其中2015—2019 年贵州风力发电量的复合增速达到了22.5%［5-6］。综上所述，贵州的风力发电正处于快速发展阶段，具有重要的开发潜力。

图1 2014—2019 年贵州省风电的装机发电量统计［5-6］

1 贵州风力发电概述

2003 年，贵州省盘县坡上草原上第一个风力发电试点开始建设［7］，从此贵州走上了风力发电发展的快车道。风力发电的发展对贵州的能源改革具有重要的意义。华能赫章韭菜坪风电场一期项目年发电量近1 亿kW·h，直接创造经济价值6 000 余万元［8］，每年能够节约标准煤4 万t［9］。马摆大山风电场年发电量为9 785.4 万kW·h，每年可节约标准煤3.4 万t，西凉山风电场年发电量为9 849.6 万kW·h，每年可节约标准煤3.4 万t［10］，按照2014—2019 年贵州省累计装机容量约297.09 亿kW 计算，共计节约标准煤约1 100 万t。

1.1 风资源分布

贵州省全年年平均风速分布如图2［11］所示，图2显示，风能较丰富的地区年平均风速为6～7 m/s，具有深度开发的价值，从贵州省年平均风速来看，南部地区风资远比北部地区好，西部地区比东部地区好。这是由于贵州地形海拔高度西部高于东部、南部高于北部、山地地形风资源丰富的地方往往出现在高海拔地区的原因造成的。

图2 贵州省全年年平均风速分布［11］

威宁、盘县、安顺、清镇、都匀、兴仁各观察站的月平均风速分布如图3［12］所示。据图3 可知，各地月平均风速在春季3 月风最大，在区域分布上威宁最大月平均风速是都匀的月平均风速的2.4 倍，达到了3.9 m/s。在8 月月平均风速达到最低，威宁的最小月平均风速是盘县最小月平均风速2.2 倍，达到了2.8 m/s。

图3 贵州省各站平均风速逐月变化曲线［12］

综上所述，贵州各地月平均风速在一年中的变化趋势一致，但是在区域的分布上各地风速大小差别很大，这主要是由于贵州各地海拔差别较大，海拔对贵州各地月平均风速的分布具有较大的影响，但是对一年中月平均风速的变化趋势影响很小。

此外，贵州风资源丰富的地区都处于高海拔地区，文献［13］显示受当地气候条件的影响，在冬季或当气温降低和空气中的湿度较大时，会产生雾凇和凝冻的天气，这是贵州风资源与其他地方最大的区别。

1.2 贵州风资源特点

1.2.1 风资源评估

风能资源评估的主要评估参数有风能和风能密度、风能利用小时数等［14］。风资源评估时通常把空气按照干空气进行计算，但是文献［15-17］显示对于内陆地区及高海拔地区，空气密度与标准空气密度相差较大，需要考虑空气密度的影响。贵州特有的高原山区气象性能决定了风能有着海拔高、湿度大等特点。例如，文献［18］显示贵州百草坪风电场实际湿空气绝对空气密度比干空气绝对空气密度大0.6%左右，实际湿空气相对空气密度和干空气相对空气密度大0.7%左右。综上所述，贵州地区的风资源评估应考虑湿度和空气密度的影响。此外，贵州地区风电场高海拔，地形复杂，计算理论发电量时需要根据场内设立测风塔的位置和数量分区计算，然后累加得到整个风场的上网电量［19］。

用于风资源评估的软件主要有WASP 和CFD等［20-28］。针对山地地区的风资源评估，文献［25］WASP 软件模拟测风塔附近的结果比较准确，但是整个风场的评估结果有一定局限性。陈洪胜［26］研究发现运用WRF 模型嵌套CFD 技术研究经过统计订正处理，能够获得比较准确的风资源数据。段莹等［27］、冯长青等［28］研究发现通过CFD 软件Meteodyn WT 模拟贵州风电场的风资源，模拟结果和实际的测量结果误差基本在2.5%～5.3%。蒙良莉等研究发现山地风资源评估时，指数空间推算法结合海拔高度等因素的影响，可模拟精度较高的风速资源分布情况［29］。结合贵州山地地形的特点，通过CFD 软件Meteodyn WT 对风场风资源的评估优于WASP 软件，这些研究为贵州风电发展规划和风电场建设都提供理论指导。

1）风能和风能密度。风能W指在单位时间内风以风速度v穿过面积为S的风轮的总功率，如式（1）所示；风能密度ρW是风在单位时间内垂直通过单位截面积的总功率，如式（2）所示［30］。

式中：ρ代表空气密度；V代表单位时间内流过单位面积的空气体积；S代表垂直风向方向的流通面积。

《贵州风能资源详查和评估报告》统计显示，70 m 高度处风能密度在200 W/m2的面积约为2 769 km2［31］。

2）风能利用小时数。风资源评估中，一般取切入风速为3 m/s，切出风速为25 m/s。将这两个风速之间的速度称为有效风速［30］。同时取有效风速范围内的年平均小时数作为有效风能利用小时数［32］。

贵州黔南龙里草原和惠水摆榜，六盘水盘县老黑山和黄茅坪，毕节赫章雨磨山和威宁百草坪等地的风资源年利用小时数如图4 所示［33］，据图可知，在70 m 高度处，黔南龙里草原3～2 5 m/s 有效风速段年度风能利用小时数为7 588 h，惠水摆榜3～25 m/s有效风速段年度风能利用小时数为7 600 h；六盘水盘县老黑山3～25 m/s 有效风速段年度风能利用小时数为7 984 h，黄茅坪3～2 5 m/s 有效风速段年度风能利用小时数为7 998 h；毕节赫章雨磨山3～2 5 m/s 有效风速段年度风能利用小时数为7 141 h，威宁百草坪3～25 m/s 有效风速段年度风能利用小时数为7 768 h。风资源评估中，一般取轮毂高度70 m处的风能利用小时数为研究对象［34］。综上所述，贵州局部风资源在轮毂高度处的有较高的风能利用小时数，具备开发价值。

图4 贵州各地风资源年利用小时数［33］

1.2.2 测风塔选址及测风数据处理

测风塔的选址对于风电场风资源的评估至关重要［35］。对于一般复杂地形，测风塔与机位点的海拔差控制在100 m 以内且区域控制半径小于2 km；对于山脊或高差变化相对小的平坦地形，测风塔区域控制半径也小于3 km［36］。贵州属于高海拔复杂地形，其测风塔的设计需要根据当地的地形复杂程度来确定，对于地形单一山脊或宽缓台地且面积小于30 km2的风场，至少设置2 座测风塔，对于地形为不同走向山脊交错且面积大于30 km2的风场，设置3 座及以上测风塔，且测风塔的区域控制半径为1.0～2.5 km［37］。

在测风数据处理时，李霄等［38］研究发现，把气温≤1.0 ℃，相对湿度≥80%；风速连续6 h 无变化或变化小于1 m/s 的数据作为无效数据处理，才能得到更加精确的测风数据结果。综上所述，贵州地区风资源评估要严格剔除相关无效数据、控制测风塔半径、测风塔的数量，才能提高测风数据的准确性和可靠性。

2 风电场建设

2.1 风电场选址及设计

风资源评估中最重要的是风电场的选址和风力机的布置［32，39-40］。贵州风电场的选址和其他风电场的选址一样，同样经历宏观选址和微观选址等步骤［41-42］。但是贵州风资源较丰富的地区一般在山脊或山顶海拔较高的地方和山顶平坡地，风电场的选址及建设设计和其他地方的风电场选址及建设设计不同［43-46］，具有以下特点：

1）通过特殊的运输设备减少叶片的运输成本［47-48］。

2）风电场宏观选址需满足场地地基承载力不低于400 kPa［49］。

3）道路设计需考虑线性、转弯半径、纵坡等对道路路线的影响，设计速度不超过15 km/h［48］。

微观选址考虑了气象、地理、人文等因素及运输成本和运输安全后进行的机组选型和具体布局［41］。

山地风电场的运输几乎全部采用投资小的道路运输方式［45］。贵州地区对叶片的运输车辆加装控制系统控制的液压传动机构，减小了叶片运输车辆的长度和对道路转弯半径的要求［47-48］。此外，通过优化施工组织管理可以提高吊装工程安装效率［50］。

在山区风力发电量研究方面，刘晴晴等研究发现随着主风向上前后排机组轮毂海拔高度差值的不断增加，风电场年发电量不断增加［51］。在山区风电场防雷设计方面，贵州风电场设计时需要考虑风机正常运行的雷击隐患［52-53］。例如，贵州韭菜坪风电场的防雷设计时，根据弱电项目防护等级在线路安装了多级SPD 进行保护［52］。贵州地区土壤电阻率一般为5 000～20 000 Ω·m［53］，防雷设计遵循国际标准IEC61400-24∶2002 及IEC60305∶2006［47］。

2.2 风电场特点及运营维护

贵州地区海拔高不同，冬夏气温相差较大，冬季的空气密度是夏季的空气密度的约1.23 倍［54］。贵州风力发电具有很强的季节性特点，何向刚等［55］，王捷等［56］研究韭菜坪1 期一年的风电场发电情况发现，春季风力机发电量约为冬季的1.5 倍，夏季风力机发电量约为冬季的1.15 倍，秋季风力机发电量约为冬季的1.53 倍，虽然冬季的空气密度大，但是冬季的发电量最低，这是由于冬季的风速较小和叶片覆冰的原因造成的；春季和秋季的风力机出力最大，这是受到风速和空气密度共同的影响。

风电场的基本运行维护主要包括机组日常设备维护，机组定期维护检修，变电站维护检修等［57-60］。贵州风电场多位于高海拔地区，冬季受冻雨及叶片的覆冰会影响叶片出力，贵州地区的风电场除了基本运行维护外，冬季叶片覆冰的维护也很重要，应该采取加强日常巡查检测，设置围栏和醒目的警示标志等措施。

目前风电场主要的比较可靠的除冰方式有辐射传热、纤维丝加热等除冰技术，参看文献［61-70］。

辐射加热除冰方面，杨晨［62］研究发现，提供相同的加热功率时，循环控制除冰在雾凇条件下和在雨凇条件下分别节约能源约6.5%和20%左右。杨博等研究［65］发现，导热性能好的铺层材料可以强化换热提高除冰效率。在纤维丝加热研究方面，谭进峰研究发现［66］，通过调整合适的纤维间距，可以很好地达到除冰的效果。Shu 等［67］通过对图5 所示3 种纤维丝布置方式研究发现，叶片尖部冰层脱落时间大小关系为C＞A≫B；叶片根部冰层融化时间大小关系为C＞B≫A。综上所述，风力机叶片采用合适的复合材料纤维布置方向和间距或采取辐射加热的方式，都能够达到除冰效果，提高风力机的运行安全和稳定性。上述的研究对贵州地区风力机叶片在考虑冰载的运行和风电场的日常运营维护方面具有重要的指导意义。

图5 3 种纤维丝布置方式

3 研究展望

近几年的贵州风力发电得到了快速的发展。贵州省“十三五”规划提出“十三五”末年，全省风电装机规模达到600 万kW，同时全面改革风力发电上网电价政策［71］，这对贵州风力发电的进一步稳定健康发展有重要的意义。

贵州省的大部分风电场远离负荷中心且位于电网末端，具有电网不稳定的特点，且易受天气影响［72-74］。以贵州毕节韭菜坪1 期一年的风电场运营情况为例（表1），在负荷峰值段的风电场的平均出力小于在符合谷值段的出力的平均出力［56］，风力发电没有得到很好的利用。

表1 韭菜坪风电场日不同时间段有功出力统计［56］

近几年来，相关研究发现大规模储能技术可有效调控风能发电的不稳定、不连续性［75-79］；在风电或含有风电的电网中科学合理地配置一定容量的储能系统，可以解决并网安全和有效消纳问题［80-85］；在电网中引入储能系统［79，86-89］，或者直接给风电场配备储能系统［90-92］，能够很好地解决风电不稳定对电网的冲击。

3.1 储能系统与电网

储能系统和电网匹配方面，周野［84］研究发现在2 950 MW 含有风电场为300 MW 且可调峰容量和日负荷峰谷差分别为153 kW 和673 MW 电网系统中。引入储能系统，不仅降低了运行成本，还提高了系统稳定性和消纳风电的能力。曾鸣等［85］研究发现在燃煤发电，水电的容量为7.8×104MW 和风电容量为2 000 MW 的电网系统中，当配置大于5 000 MW的储能系统时，风电-储能系统大大减少了污染排放物。

3.2 储能系统与风电场

储能系统与风电场匹配方面，邓敏［79］研究发现在容量为15 MW 的小型风电场系统中。采用3 MW的压缩空气储能系统并联在该风电场并网处可以使风电出力平滑、稳定；刘巨［75］研究发现利用风电场额定功率5%的储能装置就能使风电场的运行参数趋于稳定。

综上所述可知，在电网和风电场中引入储能系统，对改善电网的质量和维持电网的稳定有重要意义。特别是风电-储能系统的发展将对解决贵州地区风电场远离负荷中心和峰谷负载发电量不匹配的难题具有重要意义。此外，政府的相关政策鼓励电储能企业向电网反送电，鼓励储能通过峰谷电价价差、辅助服务补偿等机制的发展［93］。

针对贵州风电场都处于高海拔地区，昼夜温差比较大产生的在负荷峰值段的风电场的平均出力小于在符合谷值段的出力的平均出力这一特点，考虑引入储能系统，将谷值段的风力发电利用储能系统储存起来，在峰值段利用储能系统协同风电场发电，更能合理充分利用贵州高海拔地区的风力发电。因此，贵州风电的发展和储能系统结合一起，对贵州风力发电的健康发展意义重大。