張 升，孫江平

（1.國家核電山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.華東電力設計院，山東 濟南 250013）

復雜地形條件下的風電場風機機位布置研究

張 升1，孫江平2

（1.國家核電山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.華東電力設計院，山東 濟南 250013）

簡要介紹了風力發(fā)電機組機位布置的影響因素，同時以大唐黃島風電場工程設計為例，提出了一種復雜地形條件下實用的風機機位布置方法。針對復雜地形條件下風機的布置，采用風圖譜分析和應用軟件(WASP)，通過對風電場風資源和地形的分析研究，實現風機機位的優(yōu)化布置，提高風機的效率。

風電場；復雜地形；機位布置；WASP

0 引言

風力發(fā)電場在一般地形區(qū)域如海上、草原等平坦地勢布置時，氣流擾動規(guī)律性較強，但在復雜地形條件如山區(qū)、丘陵地帶，地形變化較大，氣流在風電機葉片、山峰、溝谷、樹木等諸多因素的影響下，氣流變化非常復雜。風電場的設計過程中，風電機組的機位布置是影響風機效率和風電場發(fā)電量的重要因素，為了更充分的利用風能資源，提高風電機組的負荷率。設計時應根據有關風能資料、地形條件予以優(yōu)化［1］。

應用丹麥實驗室開發(fā)的Riso WASP風圖譜分析和應用軟件，針對大唐黃島風電場工程中遇到的風機機位布置問題，提出了一種實用的工程設計方法。該方法應用WASP軟件繪制出風能資源分布圖，通過分析風場各個區(qū)域地形走勢和風資源密度，選擇風機落點。通過分析對比多個備選風機落點年上網發(fā)電量，確定了風機最終落點。

1 風力發(fā)電機組機位布置影響因素

在風電場設計過程中，通過對一個較大地區(qū)的風力資源、湍流強度、電網接入、交通、地質情況等多種因素進行綜合考察，確定出風電場的位置。

在海上、草原等平坦區(qū)域，風能資源在風電場內的分布幾乎沒有變化。而在山區(qū)、丘陵等區(qū)域，由于地形變化較大，風電場中各個區(qū)域風能資源分布不均。風電場場內的風能分布情況除受到地面粗糙度、風機尾流、障礙物的影響外，還會受到地形變化、季節(jié)風、溝谷風等的影響，其中最主要的是風機機位海拔高度變化的影響。海拔高度變化是復雜地形條件下風電場內風能分布最主要的影響因素。同時，地形變化形成的山脊、河谷、盆地等地貌形式，造成的迎風面、背風面、峽谷效應等情況，造成風電場內各處風速與風向變化大，因此，在風機機位布置時應根據具體情況綜合考慮［2］。

山地等復雜地形條件下風電場的風機布置中，在風機布置間距滿足風機尾流要求的前提下，應充分考慮地形對風資源的影響，結合場址的大小和地形特征，對風電場風能分布進行深入的分析和研究，最終確定風機的機位布置［3］。

2WASP軟件介紹

目前，風能資源的評估主要是借助認可的商業(yè)化專業(yè)軟件來完成的，例如WASP，Wind Farmer，Wind Pro等。其中，風圖譜分析及應用軟件WASP是用于風電場微觀選址的常用的資源分析工具軟件［4］。

WASP應用軟件，是丹麥Riso國家實驗室氣象和風能部開發(fā)出來的，其主要功能是對某地的風能資源進行評估，WASP應用軟件已成為風能領域工作者不可缺少的工具之一［5］。

WASP軟件的主要計算模塊包括原始風數據分析模塊，風圖譜生成模塊，風況特征估算模塊，理論年發(fā)電量估算模塊。應用WASP軟件，進行風電場設計的核心計算流程包括：生成該地區(qū)風圖譜的過程；獲得風電場中特定點風況特征的過程。

3 風力發(fā)電機組的優(yōu)化布置實例

3.1 大唐黃島風電場工程概況

黃島區(qū)位于山東半島膠州灣南口西海岸。地處東經120°02′至120°18′，北緯35°52′至36°02′。東與青島市市南區(qū)隔海相望，南瀕黃海，北、西皆與膠南縣接壤，具有良好的風能資源。

擬建中的大唐黃島風電場總裝機容量為27 MW，預計安裝單機容量1 500 kW風力發(fā)電機18臺，預計年發(fā)電量約為9 597萬kW·h。

3.2 風資源分析

利用WASP軟件對測風數據進行分析，風場的風向玫瑰圖，如圖1所示。

圖1 風資源風向玫瑰圖

由圖 1可以看出，該風場的主導風向為 S、SSW，次主導風向為N、NNW。主導風向和次主導風向基本在一條直線上，有利于風力發(fā)電機組的布置，風電機組的有效利用率較高。為使風電機組獲得最大風能，在理論上，風力發(fā)電機組按垂直于NS方向成排布置。

3.3 風功率密度計算

將勘測所得的地形圖進行矢量化，得到如圖2所示的矢量圖。

圖2 矢量化后的地形圖

將矢量化后的地形圖輸入WASP軟件，通過軟件計算，風功率密度分布圖，如圖3所示。

圖3 風功率密度分布圖

由圖3可以看出，風功率密度隨山體地勢起伏變化，海拔高度越高的地方風功率密度越高，最高點高達870 W/m2，海拔高度低的地方風功率密度僅有68 W/m2。風力發(fā)電機的布置點優(yōu)先考慮布置在風功率密度高的地方，但同時還需要考慮風電場建設期間大型機械設備和風力發(fā)電機組的運輸問題。

綜合考慮投資造價、經濟回報和對原有地形環(huán)境保護的因素，選出了較為合適的18處風力發(fā)電機布置。

該方案風力發(fā)電機組發(fā)電量及尾流影響結果見表1。

從表中數據結果可以看出，14號和17號風機尾流較大，分別為10.63%和14.17%，大大影響了風力發(fā)電機的效率，需要局部調整對其進行優(yōu)化。

詳細地形圖如圖4所示，從圖中可以看出，17號風機幾乎位于14號風機正北方245 m，地形上17號風機位于水庫南岸山谷北段，該處地形粗糙度變化較大，同時受東南側溝谷風的影響。風機排布位置上，17號風機與14號風機相互位于主導風向S風和次主導風向N風的正后方，夏季以南風為主，17號風機受14號風機的尾流影響嚴重；冬季以北風為主，14號風機受17號風機的尾流影響嚴重。兩臺風機在沿主導風向上距離相對太近，受季節(jié)風影響導致尾流影響較大，影響了風機的效率。

表1 發(fā)電量及尾流結果表

圖4 詳細地形圖

通過對地形圖的分析，嘗試將17號風機向西北方向拉遠，布置于水庫西南側，如圖5所示。

此時17號風機和14號風機間距352 m，發(fā)電量計算結果如表2所示。

由表1、2及圖4、5對比可以看出，沿主導風向隨風機間距離拉遠，尾流影響下降，14號風機發(fā)電量上升，但17號風機發(fā)電量降低，兩臺風機總發(fā)電量由7.624 GW·h變?yōu)?.373 GW·h。

原因分析：隨著兩臺風機間距拉遠，尾流影響減小，但17號風機海拔高度也隨之降低，由原來的132 m降低到112 m，海拔降低，風速降低，風功率密度也隨之降低，故14號風機雖然尾流降低、發(fā)電量升高，但兩臺風機總發(fā)電量是降低的。

表2 17號風機移動到水庫西南側發(fā)電量結果表

再次將17號風機進一步拉遠，布置到水庫西北角平地上，如圖6所示。

圖5 17號風機移動到水庫西南側

圖6 17號風機移動到水庫西北側

此時17號風機和14號風機間距486 m，發(fā)電量計算結果如表3所示。

對比表1、2、3及圖4、5、6可以看出，隨著14號風機與17號風機之間距離進一步拉遠，14號風機尾流減小，發(fā)電量上升，17號風機尾流也隨之降低，但17號風機發(fā)電量下降。從表3中還可以看出，隨著17號風機向北拉遠，16號風機的尾流由9.3%上升至10.5%。

表3 17號風機移動到水庫西北角發(fā)電量結果表

原因分析：17號風機發(fā)電量繼續(xù)下降，再次驗證了上次分析結果，海拔由112m繼續(xù)降低到100m，故風功率密度繼續(xù)下降，導致發(fā)電量也隨之下降，雖然從風機間距上壓低了尾流，但發(fā)電量急劇下降，從經濟投資回報上來講是不合理的。同時，16號風機尾流上升，發(fā)電量微降。

再次分析圖1發(fā)現，北風中有占較大頻率的東北風，隨著17號風機向北拉遠，17號風機占據了東北風吹向16號風機的通道，故16號風機有較大尾流，發(fā)電量下降。

從上面兩次移動17號風機可以看出：從初始的17號風機位置到水庫西北方的位置，17號風機與14號風機相互影響減少，但總發(fā)電量減少。同時，17號風機的新位置占據了16風機東北風通道，增加了16號風機的尾流，使其發(fā)電量下降。

結合風資源情況，重新分析一下原17號風機周邊地形特點，詳見圖6。楔形水庫北段順著水庫走向延伸出一端西北—東南走向的山谷，南面是14、15號風機所在的山峰，由風向玫瑰圖看出，主導風向為N、S，另外加一定比例的NW、NE、SW，由該風向頻率分布可以看出，該谷口地區(qū)利于風能利用，南風經過14號、15號風機后，經過一定距離的延伸，尾流減小到一定程度，北風從谷口吹過，一部分順山谷地形吹向東南，一部分向南沿山坡爬升至14、15號風機位，對14、15號機位湍流強度有一定影響。由于山谷西北—東南走向，谷口東北和西南對14、15號風機影響程度不一樣，谷口東北離14、15號風機較遠，相互尾流影響較小，故將17號風機嘗試利用谷口東北的位置，那么這將拉近了與18號風機的距離，會增加17號與18號風機之間的影響。因此，必須將18號風機向東北方向繼續(xù)移動。觀察18號風機移向地區(qū)的地形，發(fā)現此處恰巧有一與水庫北段山谷形狀、走向極為相似的小山谷，并且該小山谷的南面有一較大山坡，海拔高度172 m，與山谷邊緣海拔125 m相差不到50 m，將18號風機布置于此，考慮70 m的塔筒高度，18號風機正好風向切過山坡，N、S、NW風向都有利于應用。

故將17、18號風機布置如圖7所示。

圖7 17號、18號風機分別布置于兩個山谷東北口

此時發(fā)電量計算結果，如表4所示。

表4 17號、18號風機分別布置于兩個山谷東北口發(fā)電量結果表

對比表3、4可以看出，利用兩個山谷后的14、15、17、18號風機尾流損失均控制在允許值范圍內，并且發(fā)電量也隨之提升，由此驗證了對17、18風機機位的分析。

4 結論

基于工程實例，簡要介紹了風電場設計中復雜地形條件下風機機位布置方法。重點介紹了該工程一處風機機位選點布置，通過對風資源和實際地形的分析研究，靈活巧妙的對季節(jié)風和溝谷風加以充分利用，實現了風機機位的優(yōu)化布置。

山地地形風電場的風能分布隨地形變化而具有一定的特殊性，在實際工程設計中，應根據不同地區(qū)的風電場地形、地貌的差異，結合工程經驗與實際情況布置風機，從而達到風電場微觀選址合理及優(yōu)化的目的。

［1］宋海輝.風力發(fā)電技術及工程［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［2］白紹桐，胡曉春，等.風電場微觀選址工作的探討［J］.華東電力技術，2008，30（3）.

［3］于力強，蘇蓬.風電場選址問題綜述［M］.中國新技術新產品，2009，7.

［4］周榮衛(wèi)，何曉鳳.三種方法結合為風電場選址.中國氣象報，2007，2.

［5］梁水林.風能資源的評估及風電場場址的選擇［J］.電力勘測，1997，3.

Study of Wind Power Generator Arrangement in Complex Terrain

In this paper，the factors of wind generator arrangement are described，one method of wind generator arrangement in complex terrain is presented which is used to the design of the Datang-Huangdao wind farms.Advanced wind resource analysis and application program (WASP)is used to the arrangement in complex terrain.Through the wind farm wind resources and terrain analysis，the arrangement of wind generator is optimized，meanwhile the efficiency of wind generator is improved.

wind farms；complex terrain；wind power generator arrangement；WASP

book=23,ebook=6

TM614

B

1007－9904（2010）04－23－04

2010－03－17

張升（1982-），男，本科，主要從事風力、火力發(fā)電設計、電網變電設計工作。

孫江平（1982-），男，碩士，主要從事電網變電設計、風力發(fā)電設計工作。