任臘春，李良縣

（中國水電顧問集團 成都勘測設計研究院，成都 610072）

近年來我國風電得到迅猛發(fā)展，2012年底風電裝機容量為75 324.2MW，位列世界第一［1］。隨著風電設備制造、勘測設計技術(shù)的發(fā)展，我國風電發(fā)展路徑由集中開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榧虚_發(fā)與分散開發(fā)相結(jié)合，風電開發(fā)區(qū)域也由風能資源好、地形地貌簡單的“三北”地區(qū)轉(zhuǎn)向低風速、高海拔、地形復雜的山區(qū)［2］，河流峽谷風電場又是山區(qū)風電場的一個特例。

本文以成都勘測設計研究院承擔的已建成投產(chǎn)的四川省乃至國內(nèi)唯一一座峽谷風電場——德昌安寧河峽谷風電場為例，對峽谷風電場的風能資源評估和微觀選址等設計關(guān)鍵技術(shù)進行分析，希望能為同類風電場設計提供一些參考。

1 工程簡介

四川省德昌安寧河峽谷風電場示范工程是四川省第一個建成發(fā)電的峽谷風電場項目，場址區(qū)域?qū)俑咴庸鹊貛?，地形北高南低，南北長14km，東西寬3km，海拔高度在1 380～1 560m；場址東西兩側(cè)分別為螺髻山與耗牛山，海拔均超過3 000m，中間是安寧河，形成狹管，使得區(qū)域內(nèi)風速狹管效應明顯，大風頻繁，風能資源相對較豐富；場區(qū)內(nèi)還存在西攀高速公路、國道G108、成昆鐵路、高壓輸電通道及分散民房等。

風電場的勘測設計工作主要包括場址地質(zhì)勘查、風能資源評估、微觀選址、電氣設計、土建設計、工程概算、財務評價等。由于該峽谷風電場的風能資源受地形地貌影響大，不均勻性十分明顯，并且所在地區(qū)人類活動頻繁，存在較多制約風電機組布置的因素，選擇經(jīng)濟技術(shù)指標相對較優(yōu)的風電機組以及布置位置就顯得尤為重要。因此，本文重點對峽谷風電場的風能資源評估、微觀選址等進行分析。

2 風能資源評估

風電場所在區(qū)域?qū)儆谝詠啛釒Ц咴撅L為基帶的立體氣候，加上東西兩側(cè)高山形成的狹管效應明顯，風能資源具有開發(fā)價值。風電場主風向與河流走向基本一致，但局部受地形、地面附著物、兩側(cè)高山和氣候等影響，場址區(qū)域內(nèi)風速、風向可能差異較大。因此，準確掌握區(qū)域內(nèi)風能資源分布情況，對風電場工程設計起著決定性作用［4］。

2.1 設置測風斷面

風電場場址區(qū)域南北長為14km，東西最寬處為3km，最窄處僅為1km，且東西海拔高度差最大處為200m；部分區(qū)域有伸向河中心的高臺地。針對這一特殊地形地貌，考慮在場址區(qū)域內(nèi)設置3個東西向斷面，每個斷面間隔約4km?？紤]與兩側(cè)高山、河谷中心線的關(guān)系，以及東西向的寬度、高度等因素，在上中斷面各設立1座70m和1座30m測風塔；下斷面設立1座70m、2座30m測風塔，各測風塔不同高度處設置風速風向儀器。目前已收集到這7座測風塔2008年8月至2011年7月的測風塔數(shù)據(jù)。各測風塔位置及3年測風情況見表1。

表1 各測風塔位置及3年測風情況

經(jīng)過對各測風塔3年的風速等參數(shù)進行分析，各測風塔各自不同高度測風數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)均達到0.813以上；由于地形等影響，風切變指數(shù)值較大，均在0.12以上，且隨著高度增加而減小，這是因為隨高度增加風速受地面附著物及地形的影響逐漸減小，說明離地面一定高度后風速更能反映區(qū)域資源的實際情況；各測風塔之間的相關(guān)性均較差，風切變系數(shù)相差也較大；測風塔同高度風速差異明顯，河谷較窄處的風速相對較好，區(qū)域靠近兩側(cè)高山處風速較小，風向穩(wěn)定性相對較差，靠近河谷中心線處風速較大。這說明受地形、地貌、地面附著物等多種因素影響，同一場址區(qū)域即使很近的地方風能資源分布可能存在較大差異。鑒于此，有必要對風電場區(qū)域進行分片區(qū)風能資源評估。

2.2 分片區(qū)進行風能資源評估

為了更準確地反映風能資源分布情況，為后續(xù)風電機組布置提供依據(jù)，在進行風能資源評估時做了多種方案：利用區(qū)域內(nèi)各塔測風數(shù)據(jù)分別對整個區(qū)域進行風能資源評估；相鄰的（包括橫向和縱向）2個測風塔同時計算分析所控制片區(qū)風能資源分布；區(qū)域內(nèi)各塔分別對所控制的片區(qū)進行風能資源分析評估。

經(jīng)過分析對比發(fā)現(xiàn)，同一個片區(qū)采用不同的測風塔測風數(shù)據(jù)來評估所得到的風能資源分布都不一樣，但在多次計算分析中發(fā)現(xiàn)，各片區(qū)風能資源的相對關(guān)系基本一致，能一定程度上反映各片區(qū)風能資源的分布情況。因此，在最后分析評估時采取各測風塔分別計算所在片區(qū)的風能資源的方法。

本示范工程采用其中的兩個片區(qū)進行風能資源評估，各機位處風能資源特征參數(shù)見表2，表2中輪轂高度為70m。

表2 各機位處風能資源特征參數(shù)

根據(jù)測風塔的測風數(shù)據(jù)計算分析及資源評估結(jié)果可知，風電場的主風向和主風能方向基本一致，以南南西（SSW）風和北北東（NNE）風的風速、風能最大和頻次最高，其中南南西（SSW）風的風速、風能占比分別為24.55%、25.72%，北北東（NNE）風的風速、風能占比分別為22.76%、24.56%，并且主風向穩(wěn)定，基本與河流方向一致。年內(nèi)大風月集中在1～5月，小風月集中在7～9月；每天12：00～13：00風速開始加大，在16：00風速達到最大，然后逐漸減小，至凌晨最小。區(qū)域內(nèi)河谷狹窄處、靠近河谷中心線處風能資源好，反之則風能資源一般或較差。

3 微觀選址

風電場微觀選址是整個風電場建設、運行的重要環(huán)節(jié)，也是風電場取得良好經(jīng)濟效益的關(guān)鍵［4］。微觀選址是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及風能資源、地質(zhì)、機組布置、設備運輸及安裝等［5］。而機組選型、機組優(yōu)化布置、發(fā)電量估算等又是微觀選址工作的中心內(nèi)容及評判依據(jù)。

3.1 機組選型

對于風電場風能資源評估結(jié)果（包括極端風速、參考風速、年平均風速、湍流強度等），根據(jù)《風力發(fā)電機組安全要求》（GB 18451.1—2005）可判斷該風電場適合選用IECⅢ類風電機組。目前，風電機組主要有雙饋式風電機組和直驅(qū)式風電機組，后者較前者具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)較先進、可靠性高、噪聲小、運行維護成本低、容易實現(xiàn)低電壓穿越和低風速發(fā)電效率相對較高等優(yōu)點［6］。因此，風電場在參選機型時考慮了上述兩種。各參選機型的技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果見表3。

表3 各參選機型的技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果

由表3可見，綜合考慮了主流風電機組特性，結(jié)合風電場的風況特征、安全等級要求，現(xiàn)場交通運輸條件、地質(zhì)條件、施工安裝條件等因素，對多種機型進行比較。對參選機型進行技術(shù)比較時，著重關(guān)注機型的型式認證、功率曲線認證、電壓控制、有功無功控制、頻率和諧波等特性，在經(jīng)濟比較時主要考慮設備及安裝工程、建筑工程等方面。

經(jīng)分析計算，風電場最終選擇了低風速直驅(qū)式風電機組（WTG5）。

3.2 機組優(yōu)化布置

風電場風電機組的布置主要是根據(jù)場址風能資源分布情況和場址建設條件確定。由于該風電場機組布置受限制因素較多（有較多少數(shù)民族居民房屋、高速公路、鐵路、高壓輸電線路等），即使在地質(zhì)條件較好的情況下也難以直接采用專業(yè)的軟件進行布置方案的確定。

因此，在布置機組時優(yōu)先考慮風能資源好的位置，然后根據(jù)以下限制條件對機組位置進行經(jīng)濟性優(yōu)化。

1）風電場各機組間尾流及規(guī)劃的后續(xù)風電場機組與本風電場的機組間的尾流損失按10%控制。

2）考慮機組運行噪聲可能對居民生產(chǎn)生活的影響，經(jīng)計算，機組位置離居民房屋應超過160m。

3）考慮機組與鐵路、高速公路、輸電及通信線路的安全距離，按照塔筒高度和葉片長度之和來控制。

4）部分機組位置由于風能資源較好，但是可能位于高臺地上，則按照機組與臺地邊坡穩(wěn)定性均不受影響來控制，經(jīng)計算機組位置與邊坡的距離為70m。

5）由于靠近兩側(cè)高山處風向穩(wěn)定性較差，為減少紊流對機組運行可靠性產(chǎn)生影響，布置機組時設定了機組位置與高山的凈距離限制，設計時采用400m。

此外，為了充分利用區(qū)域風能資源，相對弱化各風電機組的間距要求，部分機組位置間的直線距離按照機組與鐵路等的安全距離考慮。

3.3 發(fā)電量估算

3.3.1 微觀選址流程

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果的各機組位置坐標，利用GPS到現(xiàn)場踏勘定點，根據(jù)現(xiàn)場的地形地貌、地質(zhì)和施工安裝條件對機組位置進行微調(diào)，并利用GPS測得新坐標，然后再將現(xiàn)場的定點坐標作為新的機位坐標進行后續(xù)發(fā)電量、湍流強度、極端風速、入流角等參數(shù)進行復核，然后重復上述過程直至滿足要求。

3.3.2 最終方案發(fā)電量估算

根據(jù)微觀選址的機位坐標，并結(jié)合選型確定的風電機組技術(shù)參數(shù)、風能資源評估結(jié)果，采用黏性渦漩尾流模型對風電場每臺風電機組發(fā)電量及尾流損失進行精確計算。考慮風電場發(fā)電量的各種折減系數(shù)，利用專業(yè)軟件meteodyn WT計算風電場年平均發(fā)電量、年等效利用小時數(shù)、容量系數(shù)。

本風電場各機組能量指標計算結(jié)果見表4。

表4 各機組能量指標計算結(jié)果

4 工程設計效果

德昌安寧河峽谷風電場從并網(wǎng)發(fā)電近兩年，從目前的運行情況來看，所采用的風電機組故障率很低、可靠性相對較高，可利用率在98%左右，這說明設計所選用的風電機組以及機組的布置基本合理，有效保證了風電機組安全。

上網(wǎng)電量是衡量風電場各方面成功與否的關(guān)鍵內(nèi)容。表5給出了風電場投產(chǎn)以來的風速和發(fā)電量等參數(shù)。由于風電機組機艙上測風儀所測數(shù)據(jù)不能完全反映實際風速情況，在此僅以發(fā)電量來說明，以2012年為例，實際上網(wǎng)電量和利用小時均高出設計值約20%?？紤]到運行初期風電場各項折減系數(shù)基本都優(yōu)于設計取值，這里暫考慮在此基礎上再折減15%作為實際多年平均值，得到的實際多年發(fā)電量為3 278kWh，高于設計實際發(fā)電量值。因此，從發(fā)電量的角度來看，風電場實際運行效果也基本達到設計預期。

5 結(jié)論

本文以四川省首個峽谷示范風電場為例，分析說明該類風電場風能資源分布特性，并對峽谷風電場的工程設計關(guān)鍵技術(shù)——風能資源評估和微觀選址進行探討。風電場工程設計效果初步達到了設計預期，說明該峽谷風電場設計所采取的分析計算方法基本合理，設計經(jīng)驗對同類風電場勘測設計具有一定的借鑒參考價值。

［1］中國風能協(xié)會.2012年中國風電裝機容量統(tǒng)計報告［A］.2013，3.

［2］國家能源局.可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃［A］.2012，8.

［3］曹云，孫華.風電場規(guī)劃設計與施工［M］.北京：水利水電出版社，2009.

［4］何一.德昌安寧河谷風電場風能資源評估［J］.水電站設計，2011（4）：83－86.

［5］連捷.風電場風能資源評估及微觀選址［J］.電力勘測設計，2007（2）：71－73.

［6］田迅等.德昌安寧河峽谷風電場機組選型的技術(shù)經(jīng)濟分析［A］.中國風電技術(shù)發(fā)展研究報告［C］，2008.

表5 風電場設計發(fā)電量與實際發(fā)電量對比