风电场规划与微观选址关键技术分析

中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司 王 勇

风电场的选址与规划建设主要受到自然地理环境条件的影响，不同地形地貌、地理位置等方面的差异，会直接影响风量大小和发电效果。本文以某风电场为例，对风电场规划与微观选址关键技术进行分析。

1 风电场规划与微观选址

1.1 风电场规划要求

基于新时期风力发电的要求，在对风电场进行规划建设的过程中，应以获得最佳发电量为主要目标，结合不同区域风场间的距离与尾流值之间的关系，将尾流影响值控制在一个合理的范围内，从而有效提高区域风电场规划的总体容量。在新时期的背景下，对风电场进行规划，可在明确这一目标的前提下，充分发挥信息化技术以及系统软件的功能作用，以线性拟合的方式来确定风场间的最佳距离。也可尝试将新方法用于风电场的规划建设[1]。通过对风电场划分扇区的方式，对尾流损失与距离的相对关系进行分析，充分发挥风电场空间土地的最大效益，以此来平衡风电场装机容量与发电量之间的关系。

1.2 风电场微观选址原则与方法

风电场的微观选址是规划设计工作中的主要内容，以提升风机发电量为主要目的，在风电场的微观选址方面，应能够遵循以下原则：在考虑各风机之间相互影响的前提下，将机位确定在风能资源较好的区域内，以山顶和山脊等位置为主；风机的排列应能够垂直于主导风能的方向；应能够对风电场的土地进行合理利用，以紧凑的排列方式来减少在集电线路以及道路等方面的投资成本；加强对于风机场地坡度的检测，确保选择的风机安装位置能够满足交通运输以及施工吊装的要求[2]。

在此基础上进行微观选址，应重点围绕室内作业布置，以及外业现场踏勘两部分来开展工作。具体而言，在内业布置方面，应能够结合风电场区域勘查到的地形资料内容，结合计算机系统软件来确定风机的具体安装位置。再由业主方或风机厂商对初步确定的机位进行修改调整后，可将其作为现场微观选址的机位[3]。在现场微观选址方面，在确定每个机位现场条件的前提下，对部分机位进行优化微调，将最终确定的风机导入到事先建立的计算模型后，通过对风速、湍流强度、极端风速、发电量等指标参数的计算，则可以确定最终机位的布置方案。

2 风电场微观选址关键技术的应用分析

为探究风电场微观选址中应用的关键技术效果，结合本风电场微观选址的实际情况，从风电场建模以及资源评估两方面的技术内容入手，基于以下内容来验证相关技术对风电场微观选址与规划建设的积极作用。

2.1 工程概况

本风电场地形多变，在对工程现场进行勘查后发现，风电场坡度多在10°～35°，具有大量冲沟、独立山头，地口、顺风向山脊等多种典型的地形，为复杂的高海拔山地风电场。本风电场规划范围内由一条山脊和一片台地组成。其中，山脊全长22km，高程在2.45～2.85km，面积达到56.5km2，以西北-东南走向为主。在进行风电场微观选址的过程中，风机单机容量3.6MW，总容量108MW，配建16.2MW/32.4MWh 的储能，风电场内部设有3个测风塔。本场在进行微观选址的过程中，主要通过建模和参数分析的方式，对工程范围内的风能资源进行科学评估，从而选择更适合风电厂建设的区域位置。

2.2 风电场建模与风况参数分析

在进行风电场建模时，本风电场主要应用基于CFD 模型的流体力学计算软件，满足对复杂地形情况下的风电场参数计算要求。在实际建模过程中，选择与风电场实际安装机型相同的GW165-5.2MW叶片机型进行计算。这类机型适用于IIIB 类标准风区，适应性可扩展到9m/s 甚至更高年平均风速风区，容量可扩展至5.6MW/6.0MW。在考虑各个机位空气密度的基础上，对风电场内3个测风塔的风况参数进行测量。依据这一方法得到的其中一个测风塔的风况结果见表1。

表1 测风塔风况参数

在此基础上结合地形和成风条件，对风电场的风机位置进行分析，可以明确测风塔之间的风向分布能够体现出较好的一致性。

对风电场的风况参数进行分析，主要以CFD 计算模拟的方式，得到风电场的风速、风能分布规律等信息，借助加速因子来对各点的极端封控进行计算，进而模拟各机位点的入流角以及风切变情况，从而明确风机安装应考虑的主要因素。

在对风控参数进行分析时，还发现山脊位置的湍流强度较小，背风坡湍流强度较大，容易在部分区域产生涡流，因而对风机的选址应尽可能避开背风区和风影区。从风机设计的角度来看，为寻找最佳入流角来获得更多的风能量，按照通常情况下入流角绝对值为8°的标准，对风电场的模拟发电量进行计算分析。结果发现，除个别位于冲沟边缘的入流角较大外，其余入流角受到复杂地形条件的影响较小。基于此，应能够加强对于风速、湍流、大气稳定度等指标变化对风机安装建设产生的影响。

2.3 机组安全等级

以保障风电场机组安全为主要目的，将能够在机组设计安装时，以极端风速、湍流强度等指标作为风机选型的主要依据。在对风电场的微观选址进行复核时，应能够对风机选型的平均风速进行单独核算与验算。在当前的相关规定标准中，依据50年一遇的最大风速，将风机分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种类型。而依据湍流强度大小不同，将风机分为A、B、C 三种类型。

本风电场在风机选型方面，通过对50年一遇最大风速的计算以及湍流强度等因素的分析，来确定风电机组的安全等级。在这一过程中，主要依据以下公式对风机选型中涉及的参数进行计算：ρ=P/RT。式中：ρ 代表空气密度，单位为kg/m3；P 代表年平均气压，单位为pa；R 代表气体常数，计算时取287J/（kg·k）；T 代表年平均开氏温标绝对温度，计算时以t℃+273为主。

在实际计算中，以分片区的方式，基于以上公式明确风电场各机位的风速计算情况，得到的部分A 类、B 类机位风速计算结果见表2。

表2 风电场部分机位风速计算结果

在风速一定的情况下，空气密度变化使得实际产生的风压也不同。为实现对于封控参数的科学计算，要将实际的计算情况折算至标准状况下，考虑平均风速的影响，确定风电机组的安装等级。结合表2中的计算结果，可以发现Ⅱ类和Ⅲ类机位即可满足风量要求。

从湍流强度的角度对风电场微观选址的安全等级进行评估，以测风塔的湍流强度指标进行推算。在确定测风塔湍流强度为已知环境的湍流强度基础上，结合不同机位的加速、风速情况来进行推算，在明确风机切入风速为3m/s，切出风速为25m/s 的前提下，应能够重点加强对3～25m/s 风速段内湍流强度变化情况的关注。基于此，结合本风电场现场的实际情况，在考虑平均风速较大，且部分机位容易产生负切变情况的基础上，在湍流强度方面主要选择应用A 类及以上风机机组。

2.4 局地区域设计规律

在考虑复杂地形条件对风电场规划与微观选址影响的前提下，应能够重点针对风电场规划区域内的迎风坡、背风坡、分支山脊、孤峰等局部特殊地形下监测获得的参数，加强对风速偏差值的控制。结合以往风电场的规划建设经验，在年平均风速为7.5m/s 的情况下，机位风速为6.7m/s，通常会影响到发电量的20%以上。

在构建风机模型和进行参数分析的过程中，受到障碍物风影区或独立山头等产生的扰流或脱流影响，相应的微地形下计算结果偏差也较大。例如，对分支山脊与风向夹角不超过22.5°的情况，障碍物风影区、迎风坡等地形的计算结果，会比设计标准值高出12%～17%，对发电量的影响在18%～35%。

同时，在应用模型对风电场进行规划和微观选址的过程中，还应考虑复杂地形条件对发电量变化值的影响。从风能资源评估的角度进行分析，考虑风电场发电量可能因尾流、风机可利用率、电气损耗、功率曲线差异、气候等因素导致损失，且损失折减通常在20%～35%，也会使得最终的选址评估结果偏离实际值。

针对这一方面的问题，应能够在风电场的规划和微观选址阶段，做好发电量的不确定性评估，以假设发电量遵循正态分布规律为前提，对发电量的平均值和标准差偏差值进行计算分析。进而依据实际的发电量评估结果来对风电场现有的资金财务内部收益率进行评估。由于本风电场的发电量较好，且具有较强的抗风险能力，在明确发电量平均值的基础上，从标准差偏差的角度，按照资金内部收益率为8%的标准进行反算，将以此获得的年等效小时数，作为对发电量不确定性进行评估的标准和依据。

2.5 风电场环境效益

从风电场环境效益的角度，对风电场规划与微观选址的效果进行评价，应能够以风电场的发电量、节能效果、耗电成本等为主要内容。依据以上技术方案和思路对风电场进行规划建设，每年可以为电网提供302400MWh，按照燃煤发电的301.5g/kWh煤耗量进行计算，则每年可以节约标煤91200t。

而从风电场规划建设对环境影响的角度，考虑风机运行过程中产生的噪声、风机对鸟类迁徙的影响、风机与周围景观融合等方面的问题，应能够进一步对风电场的规划建设进行调整。例如，在风电场的规划中，应设置好针对风机运行的噪声监测装置，将距离风电场约5km 左右距离处对背景噪声值进行测量，再依据下风向的变化情况，围绕风机塔下以100m 间距进行布点监测。

综上所述，加强对于风电场微观选址关键技术的应用重视，能够有效保障和提升风电场的规划建设效果。结合本文风电场微观选址与建设发展的经验，在进行风电场的规划建设中，可以结合风电场规划范围内的现场环境，建设风电场的微观模型，以工程现场范围内工况参数的变化情况，作为规划建设的主要参考依据。在此基础上，从环境效益的角度来验证风电场微观选址与规划建设的科学性。