文 | 劉超 盛科 楊佳元 盧陳皓 文雯

風電場機組選型與微觀選址優(yōu)化研究

文 | 劉超 盛科 楊佳元 盧陳皓 文雯

風電場前期開發(fā)階段，風電場項目開發(fā)公司將請設(shè)計單位進行風電場可行性研究。設(shè)計單位在獲得風電場風能資源數(shù)據(jù)并對風能資源情況進行評估后，將根據(jù)多個主機廠家的機型參數(shù)，進行初步的經(jīng)濟性能分析和微觀選址工作。一方面通?？尚行匝芯吭缬陲L電場主機招標時間，風電機組的技術(shù)型式發(fā)展很快，可供選擇機型不斷增多。另一方面，可行性研究報告主要從風電場整體考慮風電機組安全性等級，并不會具體到機位點的安全性要求。因此可行性研究報告中的風電場發(fā)電性能指標通常與實際情況存在差距，布機機位點也需進行進一步優(yōu)化。本文在設(shè)計單位的微觀選址基礎(chǔ)上，以河南某風電場為例，進行更有針對性的風電場機組選型和微觀選址優(yōu)化研究。

風電場概況

風電場位于河南省中部地區(qū)，場區(qū)高程290m－770m之間。風電場所在區(qū)域?qū)俦睖貛Ъ撅L型大陸性氣候。氣候溫和，四季分明，年平均氣溫14.5℃，年平均降水量604.6mm，年平均日照時數(shù)2228.7h。風電場地形地貌主要屬中低扇區(qū)，山體坡度一般為10°－30°。場區(qū)內(nèi)有村莊，基本無耕作農(nóng)田和樹木，為旱地作物和雜木草。該區(qū)域80m高度年平均風速在5.5m/s－6m/s之間。風電場場址區(qū)域?qū)偕降?，受地形風影響明顯，風電場風向主要以S為主，在冬春季NW和NE風向也占一定比例。

風電場場址內(nèi)立有2座測風塔，其中1#測風塔位于場區(qū)西北部，海拔高681m，2#測風塔位于場區(qū)南部，海拔高595m。兩測風塔測風高度均為70m，均采用美國NRG公司的測風設(shè)備進行測風，測風時段為2011年11月到2013年7月。

（1）年平均風速（見表1）

（2） 50年一遇10min平均最大風速與平均空氣密度

根據(jù)風電場可行性研究報告，風電場70m高度50年一遇10min平均最大風速為27.9m/s，利用風切變推算到80m高度處50年一遇10min平均最大風速為28.3m/s，推算到標準空氣密度50年一遇10min平均最大風速分別為27.2m/s。

根據(jù)測風塔上實測氣溫和氣壓，計算出風電場區(qū)域的年平均空氣密度為1.134 kg/m3左右。

（3） 風切變

根據(jù)工程可行性研究報告，得出1#測風塔風速隨高度變化綜合指數(shù)為0.088；2#測風塔風速隨高度變化綜合指數(shù)為0.072，屬于較小水平。

機型選擇

一、擬選機型

測風塔計算整個風電場布機范圍內(nèi)1#塔70m高度平均風速為6.02m/ s，80m高度年平均風速為6.1m/s；2#塔70m 高度平均風速為5.2m/s，80m高度年平均風速為5.25m/s；風場70m高度處15m/s風速段的湍流強度小于0.14，50 年一遇最大風速小于37.5m/s。通過測風塔的數(shù)據(jù)對比可以看出，整個風電場范圍內(nèi)的風能資源分布情況都適合選擇IECIV類及以上風電機組。

從充分利用風電場風能資源和風電機組安全等方面考慮，通過對我公司幾款風電機組的特點以及根據(jù)本風電場的風能資源、地形和交通運輸條件、湍流強度以及各型風電機組的成熟性等特點，本階段擬定以下2種備選風電機組機型：WTG1500D93、WTG2000D110。

兩種風電機組基本參數(shù)對比見表2。

二、布機方案及機型選擇

風電機組選型時應(yīng)根據(jù)風電機組技術(shù)參數(shù)和造價，擬定若干機型，綜合考慮擬選風場的風能資源特征，從技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面進行綜合比較，最終確定適合擬選風電場的最優(yōu)機型。本風電場擬安裝33臺單機容量為1500kW的風電機組；或者擬安裝24臺單機容量為2000kW的風電機組?；诒酒陲L電場的風能資源情況和我公司風電機組的特點，優(yōu)先考慮24臺WT2000D110風電機組；如果考慮運輸難度較大，則考慮33臺WTG1500D93風電機組的方案。

表1 年平均風速對比

機型選擇階段采用可研報告中對各容量機組的初步布機方案進行發(fā)電量及經(jīng)濟性能評估，從而選出適合風電場的最佳機型。根據(jù)可研報告中對兩種容量機組的初步布機方案（見圖1、圖2），采用Meteodyn WT軟件推算各機位點風能資源，再根據(jù)各機型功率曲線進行發(fā)電量計算。結(jié)合可研報告中對建筑工程、工程靜態(tài)投資等投資值，初步估算了兩種機型及布機方案下的經(jīng)濟性能評估，估算工程投資見表3。

從表2可以看出，采用上述布機方案，風電場的年理論發(fā)電量以全部采用WTG2000D110機型方案相對較大，為14145萬kW·h；而全部采用WTG1500D93風電機組的，則全場理論發(fā)電量為13081萬kW·h。從經(jīng)濟性能方面考慮，采用2MW風電機組的單位電能靜態(tài)投資更低，更具有投資優(yōu)勢。從發(fā)電量和經(jīng)濟性能方面綜合考慮，由于此風電場年平均風速較低，風能資源條件一般，因此采用低風速大葉片風電機組具有更大的優(yōu)勢。

輪轂高度選擇方面，根據(jù)之前的分析，本風電場風切變小，升高輪轂高度對發(fā)電量增加作用不明顯，因此建議采用80m輪轂高度。

表2 兩種機型參數(shù)對比

表3 工程投資估算成果表

圖1 1.5MW機組布機方案

圖2 2MW機組布機方案

微觀選址優(yōu)化

在風電場宏觀選址條件相同的情況下，由于微觀選址條件的不同，相同型號的風電機組的發(fā)電量存在較大的差異。因此為使風電場經(jīng)濟性能更優(yōu)，需進行進一步的微觀選址優(yōu)化。MeteodynWT 通過載入地形數(shù)據(jù)，定義繪圖區(qū)域，定義測風點以及結(jié)果點通過計算一系列風向數(shù)據(jù)來獲得定向結(jié)果推算出一定區(qū)域的風能資源分布。根據(jù)推算出的風能資源圖譜，并綜合考慮尾流影響、地形條件、道路安裝、主風向等因素對可研報告中的微觀選址機位點進行優(yōu)化，最終確定最優(yōu)布機方案。

從安全性和經(jīng)濟性方面考慮，結(jié)合湍流強度圖譜和年平均風速圖譜，盡量將點選在湍流強度小、年平均風速較大的地區(qū)。對圖2中WTG2000D110風電機組布機方案下各機位點風能資源進行分析可知，8個機位點湍流強度超出設(shè)計標準，且部分機位點布置在風能資源較弱地區(qū)，經(jīng)濟性能不佳，因此需對這些機位點進行調(diào)整，使各機位點安全性能達到風電機組設(shè)計標準，并且盡量將整個風電場的經(jīng)濟性調(diào)整到更優(yōu)。通過WT軟件的微觀選址功能進行風電機組位置的調(diào)整，對這幾個點的位置進行微調(diào)。初次調(diào)整完后，重新生成各點的風能資源情況查看結(jié)果，發(fā)現(xiàn)T2、T3點的湍流強度仍然較大，還需進一步進行調(diào)整。附近區(qū)域湍流強度均較大，微調(diào)無法達到要求，于是需進行較大的調(diào)整?？紤]道路安裝條件，結(jié)合場內(nèi)道路圖（見圖3），對T2、T3點進行較大的調(diào)整。綜合考慮尾流折減、平均風速等因素，經(jīng)過多次調(diào)整，得出最終機位點分布圖（見圖4）。

圖5、圖6表示微觀選址優(yōu)化前后風電場各機位點年平均風速和湍流強度對比結(jié)果，可見，經(jīng)過優(yōu)化后，T2、T3、T6、T14、T15、T16機位點的湍流強度較大，但年平均風速較小，經(jīng)過優(yōu)化后，湍流強度降低，年

圖3 場內(nèi)道路圖

圖4 最終布機方案圖

圖5 優(yōu)化前后湍流強度對比圖

圖6 優(yōu)化前后年平均風速對比圖

表4 微觀選址優(yōu)化前后發(fā)電性能對比

平均風速增加，既滿足了機組安全性要求，又提高了發(fā)電性能。微調(diào)能達到目的則盡量進行微調(diào)，如果微調(diào)無法滿足要求，則須結(jié)合場內(nèi)道路安裝、地形條件、尾流影響等其他因素對機位點進行較大調(diào)整。從表4可以看出，經(jīng)過微觀選址優(yōu)化后，風電場各機位點年平均風速增加了0.3m/s，湍流強度降低了0.016，風電場整體年有效利用小時數(shù)提高了7%，可見微觀選址優(yōu)化對風電場經(jīng)濟性能的影響顯著。

結(jié)論

風電場風電機組選型及微觀選址對風電場設(shè)計至關(guān)重要。本文以某風電場為例，通過全場風能資源計算分析，選擇兩種比選機型，在技術(shù)和經(jīng)濟性兩個方面分別進行比選，最終得出風電場的推薦機型。機型確定后，再在可研階段微觀選址基礎(chǔ)上對機位點進行微觀選址優(yōu)化設(shè)計，既滿足機組安全性要求，同時較大提高了風電場經(jīng)濟性能，對風電場主機招標和正式施工之前最終的機型確定及微觀選址優(yōu)化具有一定的指導意義。

（作者單位：南車株洲電力機車研究所有限公司）

攝影：許霞