李良縣，任臘春

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

高海拔山地風(fēng)電場風(fēng)能資源分析與微觀選址

李良縣，任臘春

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

高海拔山地風(fēng)電場是今后一段時期風(fēng)電發(fā)展的重要領(lǐng)域，風(fēng)能資源分析和微觀選址在高海拔山地風(fēng)電場建設(shè)中具有重要作用。以拉馬（以下縮寫為“LM”）風(fēng)電場為例，論述了高海拔山地風(fēng)電場風(fēng)能資源分析和微觀選址的方法和實際操作，為今后同類高海拔山地風(fēng)電場建設(shè)提供借鑒。

高海拔；山地風(fēng)電場；風(fēng)能資源分析；微觀選址；LM風(fēng)電場

1 研究背景

風(fēng)力發(fā)電作為資源潛力大、技術(shù)基本成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應(yīng)對氣候變化的新形勢下，越來越受到各國重視，并已在全球大規(guī)模開發(fā)利用。從最早的資源普查來看，我國風(fēng)能主要分布于三北一帶，多為平原地形風(fēng)電場，風(fēng)資源形成機理比較簡單，風(fēng)資源分析和微觀選址也相對簡單，主要考慮的問題是風(fēng)電送出和消納問題。其次是海上，目前海上風(fēng)電已進入了迅猛發(fā)展階段，在風(fēng)資源評估時重點的考慮因素有：氣溫、水溫、潮位變化對風(fēng)速的影響［1］，微觀選址注重場址地質(zhì)條件和海洋水文分析［2］。隨著全國風(fēng)電工作推進，已查明位于西南部高海拔山區(qū)也具有豐富的風(fēng)能資源，伴隨風(fēng)電技術(shù)進步以及交通運輸、電力系統(tǒng)等外部配套環(huán)境改善，高海拔山區(qū)風(fēng)電建設(shè)也進入快速發(fā)展階段，但由于成風(fēng)機理不同地區(qū)差異較大，陣風(fēng)性強、氣候條件多變、交通運輸條件差等因素，高海拔山區(qū)風(fēng)電場風(fēng)資源分析更加注重風(fēng)資源完整率、地形對風(fēng)速和風(fēng)向的影響分析，微觀選址注重地質(zhì)條件、運輸和安裝條件、邊坡處理等［3］。

風(fēng)能資源分析和微觀選址是風(fēng)電場建設(shè)前期工作的重要環(huán)節(jié)，是風(fēng)電建設(shè)項目的基礎(chǔ)工作，風(fēng)能資源分析正確與否是風(fēng)電場建設(shè)取得良好經(jīng)濟效益的關(guān)鍵［3］，若風(fēng)電場風(fēng)能資源分析不當，將給風(fēng)電場建設(shè)帶來巨大風(fēng)險。微觀選址即在保證機組安全的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)風(fēng)電場綜合效益最大化等。

2 高海拔山地風(fēng)電場風(fēng)能資源分析

2.1 測風(fēng)數(shù)據(jù)收集測風(fēng)數(shù)據(jù)是評估風(fēng)電場風(fēng)能資源的基礎(chǔ)［4］，只有收集風(fēng)電場內(nèi)及其周邊盡可能多的測風(fēng)數(shù)據(jù)才有可能準確分析其風(fēng)能資源。測風(fēng)數(shù)據(jù)包括測風(fēng)塔不同高度實測時間序列的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、標準偏差，以及風(fēng)電場參證氣象站長系列風(fēng)資源分析相關(guān)氣象參數(shù)（近30年逐年平均風(fēng)速和各月平均風(fēng)速、最大、極大風(fēng)速、與測風(fēng)塔同期的風(fēng)資源觀測數(shù)據(jù)等）。高海拔山地風(fēng)電場地形復(fù)雜、氣象條件多變，設(shè)備可能發(fā)生冰凍、倒塔、信號缺失等多種情況，導(dǎo)致測風(fēng)數(shù)據(jù)缺測，應(yīng)盡可能收集較長時間序列（超過12個月）的數(shù)據(jù)，以準確評估高海拔山地風(fēng)場風(fēng)能資源。

2.2 測風(fēng)數(shù)據(jù)驗證和訂正測風(fēng)數(shù)據(jù)驗證是檢查風(fēng)電場測風(fēng)原始數(shù)據(jù)，對其合理性和完整性進行分析，檢驗出不合理數(shù)據(jù)和缺測數(shù)據(jù)，目的是整理出至少一個完整年連續(xù)的逐小時測風(fēng)數(shù)據(jù)。合理性分析主要針對測風(fēng)數(shù)據(jù)的范圍、相關(guān)性、趨勢等；完整性分析是指有效測風(fēng)數(shù)據(jù)占應(yīng)測數(shù)據(jù)的比例，按《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》規(guī)范要求，風(fēng)電場一個完整年連續(xù)測風(fēng)數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)完整率應(yīng)不低于90％。高海拔山地風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)有效完整率一般較低，往往達不到90％，在實際項目中，一般按照不低于75％控制。測風(fēng)數(shù)據(jù)訂正是指根據(jù)風(fēng)電場附近參證站長期風(fēng)資源氣象觀測數(shù)據(jù)，將驗證后的測風(fēng)數(shù)據(jù)訂正為一套能夠反映風(fēng)電場長期平均水平的代表性數(shù)據(jù)。由于高海拔山地風(fēng)電場的測風(fēng)塔往往距離長期測站距離較遠，而且測風(fēng)塔與氣象站的海拔高度相差較大，再加上地形和地貌的差異使得場址與相關(guān)氣象站測風(fēng)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性較差，一般都遠小于0.80的要求值。因此，需采用多種方法進行風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)的訂正分析，如相關(guān)法（分扇區(qū)小時相關(guān)、逐小時相關(guān)、逐日相關(guān)、逐月相關(guān)）、比值法等，并結(jié)合周邊其他氣象站的資料，綜合推薦訂正結(jié)果。

2.3 測風(fēng)數(shù)據(jù)處理測風(fēng)數(shù)據(jù)處理是指根據(jù)訂正后的數(shù)據(jù)計算分析得出評估風(fēng)能資源的各種關(guān)鍵參數(shù)，包括：不同時段平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度、不同扇區(qū)風(fēng)速頻率分布和風(fēng)能頻率分布、風(fēng)向頻率和風(fēng)能密度方向分布、威布爾分布、風(fēng)切變指數(shù)、湍流強度、50年一遇最大風(fēng)速等。平均風(fēng)速、風(fēng)速頻率、風(fēng)向、風(fēng)功率密度、風(fēng)能頻率分布主要反映了風(fēng)電場風(fēng)速大小、主風(fēng)向、風(fēng)資源等級等風(fēng)電場風(fēng)資源基本信息，用于指導(dǎo)風(fēng)電機組合理選型和科學(xué)布置。風(fēng)切變指數(shù)反映風(fēng)電場不同高度風(fēng)速的關(guān)系，用以推算風(fēng)機輪轂高度處風(fēng)資源；湍流強度反映同一高度風(fēng)速標準差與平均風(fēng)速的比值，體現(xiàn)了同一高度風(fēng)速變化的程度，值越大，變化越大；50年一遇最大風(fēng)速反映風(fēng)電場風(fēng)機輪轂高度處50年一遇最大風(fēng)速。以上三個參數(shù)均用于風(fēng)機選型和塔筒設(shè)計，值越大，說明風(fēng)電場適宜的風(fēng)機安全等級越高，塔筒承受的荷載越大。高海拔山地風(fēng)電場由于特殊的地形條件，氣候環(huán)境，往往具有主風(fēng)向不突出，風(fēng)切變指數(shù)較大或負，湍流強度、50年一遇最大風(fēng)速較地形簡單風(fēng)場大，因此，針對高海拔山地風(fēng)電場往往需要收集較長時間序列（超過連續(xù)12個月）的風(fēng)資源，同時測風(fēng)塔控制的范圍應(yīng)較常規(guī)風(fēng)電場小。

3 高海拔山地風(fēng)電場微觀選址

3.1 微觀選址方法由于高海拔山地風(fēng)電場往往具有空氣密度低、氣象條件多變、地形復(fù)雜、交通條件差、地質(zhì)缺陷多的特征，其微觀選址往往比簡單地形或一般山地風(fēng)電場復(fù)雜。微觀選址即是在地形圖上實現(xiàn)風(fēng)電機組可行性布置后，再根據(jù)招標確定的風(fēng)機機型，結(jié)合風(fēng)電場現(xiàn)場地形條件、安裝平臺設(shè)置、施工道路比選、環(huán)境影響、湍流和尾流影響等因素，在保證風(fēng)機穩(wěn)定安全運行的前提下，采用風(fēng)機布置和發(fā)電量計算軟件分析不同布置方案下風(fēng)電場總體發(fā)電量，同時考慮經(jīng)濟性，以期達到整個風(fēng)電場風(fēng)能資源利用最優(yōu)化、出力最大化、成本最低化、安全性最好［5］。風(fēng)電場微觀選址是風(fēng)電場設(shè)計階段的核心工作之一，尤其是高海拔山地風(fēng)電場，涉及到風(fēng)資源、地質(zhì)、電氣、交通、土建、環(huán)保等多個專業(yè)，是一項系統(tǒng)工程。此外，高海拔山地風(fēng)電場還可能涉及民俗、宗教等。

3.2 微觀選址步驟微觀選址主要通過現(xiàn)場踏勘和專業(yè)軟件分析，Meteodyn WT、W indsim主要是基于計算流體力學(xué)（CFD）的方法，適用于河谷、山地、陡坡等地形較復(fù)雜的風(fēng)電場。高海拔山地風(fēng)電場微觀選址宜采用Meteodyn WT、W indSim軟件進行。

微觀選址工作涉及到的影響因素較為繁雜，且每個風(fēng)電場的特點迥異，對高海拔山地風(fēng)電場而言，微觀選址的步驟可概括如下。

第一步：首先由風(fēng)電場項目業(yè)主、設(shè)計單位、中標風(fēng)機廠家組成工作小組，根據(jù)確定的風(fēng)機參數(shù)，結(jié)合前期工作確定的風(fēng)機布置方案和地勘成果，按照風(fēng)機布置一般原則：風(fēng)機間距在主風(fēng)向為5～9倍風(fēng)機直徑，垂直主風(fēng)向為3～5倍風(fēng)機直徑；盡量充分利用場地，同時保持尾流效應(yīng)較?。ǎ?2％），入流角不超過8°、湍流強度不超過0.16，確定微觀選址初步布置方案。

第二步：根據(jù)微觀選址初步布置方案在場址內(nèi)開展風(fēng)機現(xiàn)場定點，結(jié)合風(fēng)機機位周邊微地貌、地質(zhì)缺陷、地物分布、集電線路、施工難度、道路設(shè)計、安裝平臺、民俗點等因素，并考慮入流角、湍流等，現(xiàn)場微調(diào)風(fēng)機機位，形成風(fēng)電場微觀選址階段風(fēng)機布置比較方案。為充分利用風(fēng)能資源，在機位微調(diào)時在保證風(fēng)機穩(wěn)定安全運行的前提下可突破風(fēng)機布置一般原則。

第三步：比較不同布置方案的投資、發(fā)電量、對環(huán)境的影響等，確定最終的風(fēng)電機組布置方案，具體的流程詳見圖1。

4 實例分析

高海拔山地風(fēng)電場類型復(fù)雜多樣，風(fēng)資源分析中的訂正和處理，微觀選址的重點都各不相同。本文僅以其中一類為例簡要論述高海拔山地風(fēng)電場風(fēng)能資源分析和微觀選址工作。

4.1 風(fēng)電場基本情況LM風(fēng)電場位于四川省涼山州會東縣，場址地處魯南山脈山脊地帶，山脊呈東北-西南走向（見圖2），山脊地勢較開闊、山脈存在一定起伏，海拔高度2 700～3 100m，距會東縣政府所在地直線距離約20 km。風(fēng)電場長約10 km，平均寬約1.3 km，無建筑無遮擋。風(fēng)電場地形復(fù)雜，包括山脊、山谷、迎風(fēng)坡、陡坎等多種地形；部分初步布置機位存在地質(zhì)溶洞等地質(zhì)缺陷；山體覆蓋層薄，多基巖；場址內(nèi)有較多墳地，場內(nèi)沒有運輸?shù)缆?，需新建場?nèi)道路20 km。

4.2 風(fēng)能資源分析本文收集了LM風(fēng)電場內(nèi)一座70m測風(fēng)塔2011年4月至2012年7月測風(fēng)數(shù)據(jù)，經(jīng)比較數(shù)據(jù)完整率和合理性分析，最終選取2011年4月至2012年3月為風(fēng)電場代表年數(shù)據(jù)，以此分析風(fēng)場風(fēng)能資源。經(jīng)風(fēng)資源數(shù)據(jù)驗證、訂正分析，LM風(fēng)電場主風(fēng)向穩(wěn)定，為西南風(fēng)，70m平均風(fēng)速9.10 m/s，風(fēng)功率密度589.5W/m2，50 m平均風(fēng)速為8.81 m/s，風(fēng)功率密度為497.5W/m2。根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》（GB/T 18710—2002），判定測風(fēng)塔處風(fēng)功率等級為4級，屬風(fēng)能資源較好區(qū)域（見圖3）。風(fēng)電場山頂、山脊風(fēng)功率密度較高（＞300W/m2），適宜布置風(fēng)電機組；山坳、山坡、背風(fēng)坡風(fēng)功率密度較低（200W/m2左右），盡管這些區(qū)域風(fēng)能資源具備一定開發(fā)價值，地形條件較好，施工難度小，但由于湍流影響較大，風(fēng)機布置應(yīng)盡量避開這類區(qū)域。

圖1 高海拔山地風(fēng)電場微觀選址流程圖

圖2 LM風(fēng)電場風(fēng)能資源分布和風(fēng)機布置圖

4.3 微觀選址（1）風(fēng)能資源。LM風(fēng)電場地物較少，地形起伏大，機位最高海拔與最低海拔相差約200m，影響風(fēng)資源特性參數(shù)的主因是地形，地形起伏大處地表粗糙度較大，近地面風(fēng)速風(fēng)向受影響程度較大，并隨離地高度增加影響逐漸減弱。因此，在LM風(fēng)電場地形起伏變化較大區(qū)域，盡量減少風(fēng)機布置，適當增加風(fēng)機布置間距，才能使風(fēng)機輪轂高度的入流角、風(fēng)速切變、50年一遇最大風(fēng)速和極大風(fēng)速、湍流強度滿足所選機型設(shè)計要求值，對于某些湍流較大的風(fēng)機機位必須選用適應(yīng)更高等級的機型，以確保風(fēng)電機組在運行期內(nèi)安全可靠運行。

（2）風(fēng)電布置。LM風(fēng)電場場址主要由山脊和連綿微凸的小山丘組成，在布機時結(jié)合風(fēng)能資源分布圖，并考慮風(fēng)機布置一般原則，采用Meteodyn WT軟件經(jīng)初步分析，一方面，風(fēng)機的湍流強度隨風(fēng)機間距的增大而降低（受局部地形影響，個別機位除外），但風(fēng)機間距增加到一定值時，湍流強度變化逐漸減弱；另一方面，對高海拔山地風(fēng)電場，增加主風(fēng)向上的風(fēng)機間距比垂直主風(fēng)向的風(fēng)機間距更能有效減小湍流強度。因此，為了盡量最大化利用這一地區(qū)風(fēng)能資源，結(jié)合地形條件，只要在滿足入流角、湍流強度要求的某些區(qū)域，風(fēng)機布置按照主風(fēng)向上風(fēng)機間距為風(fēng)輪直徑的3～5倍，垂直主風(fēng)向上機組間距為風(fēng)輪直徑的2～3倍進行風(fēng)機布置。調(diào)整后LM風(fēng)電場風(fēng)機間距最小為240m，約為風(fēng)輪直徑93m的2.6倍，實現(xiàn)了在取消部分機位的情況下保證風(fēng)電場裝機規(guī)模不減小。

（3）邊坡距離。LM風(fēng)電場為高海拔山地風(fēng)電場，風(fēng)機主要布置在山脊和山頂平臺，為了利用風(fēng)能資源最好的區(qū)域，風(fēng)機大多布置山脊和山頂最高處，某些機位中心點距山脊或山頂邊坡較近（不超過10m）。為了機組能穩(wěn)定運行，有必要分析計算機位與臺地邊坡的最小安全距離。綜合考慮風(fēng)電場邊坡規(guī)模、邊坡失事風(fēng)險及影響程度，確定邊坡類別，并選取控制標準；同時根據(jù)地質(zhì)勘察資料和風(fēng)機荷載，進行天然邊坡最危險滑動模式穩(wěn)定性和布置風(fēng)電機組后邊坡的穩(wěn)定性分析；根據(jù)邊坡控制標準確定機位最小安全距離，綜合分析后，LM風(fēng)電場風(fēng)機機位因邊坡類別不同，安全距離都控制在20～50m，對于某些機位調(diào)整后也不能滿足最小安全距離的機位必須考慮一定的邊坡防護工程。

（4）地質(zhì)缺陷。LM風(fēng)電場地處高海拔區(qū)域，地表以基巖和薄覆蓋層為主，但局部區(qū)域也存在地表水溶蝕、地下溶洞、地質(zhì)危巖、強卸荷巖體等地質(zhì)問題。微觀選址時需結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)和實測地形圖（1∶2000比例尺），調(diào)整風(fēng)電機組機位，初步比較不同機位的建設(shè)成本和發(fā)電收益，在不影響風(fēng)機安全穩(wěn)定運行的前提下，最終選用工程量最優(yōu)、環(huán)境影響小、發(fā)電量較高的風(fēng)機機位。

（5）其他因素。風(fēng)機機位的調(diào)整，還需考慮場內(nèi)道路的布置，盡量減少場內(nèi)道路工程量［5］；微調(diào)機位后還需要確保機位附近能夠具備合適的施工平臺位置，減少施工平臺的開挖工程量。此外，風(fēng)電機組土地征用的難度，風(fēng)電場集電線路（電纜）的可行性和經(jīng)濟性，高海拔山地特有天氣狀況對施工的影響，風(fēng)電機組布置的視覺美觀等方面，也是微觀選址中需要關(guān)注的。

5 結(jié)語

本文重點探討了高海拔山地風(fēng)電場風(fēng)能資源分析、微觀選址的方法和步驟。在以LM風(fēng)電場為案例的基礎(chǔ)上，論述了高海拔山地風(fēng)電場風(fēng)能資源分析、微觀選址的實際操作方法，在范圍不變?nèi)∠承C位的前提下保證了裝機規(guī)模和發(fā)電效益最大化，對今后研究高海拔山地風(fēng)電場建設(shè)提供了一種思路，對同類風(fēng)電場風(fēng)能資源分析和微觀選址具有一定的參考價值。

［1］張超然，李靖，等.海上風(fēng)電場建設(shè)重大工程問題探討［J］.中國工程科學(xué)，2010，12（11）：10-15.

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

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W ind resou rce analysis and m icro-sitting for high altitude m oun tain w ind farm

LI Liang-xian，REN La-chun
（Hydro-China Chengdu Engineering Corporation，Chengdu 610072，China）

High altitude mountain wind farm is an important area in the development of wind power in the future，and wind resource analysis and m icro-sitting p lay an important role in the construction of high alti?tude mountain wind farms.Taking the Lama wind farm for example，the method and the operation for wind energy resource analysis and micro-sitting in high altitude mountain wind farm are discussed，which can provide references for sim ilar high altitude mountain wind farms.

high altitude；mountain wind farm；wind resource analysis；micro-sitting；Lama wind farm

TK89

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.015

1672-3031（2014）04-0427-04

（責(zé)任編輯：王學(xué)鳳）

2014-07-31

四川省2014年科技支撐計劃項目子課題（2014G20084）

李良縣（1981-），男，四川廣漢人，博士生，工程師，主要從事風(fēng)電規(guī)劃和風(fēng)能資源評估工作。

E-mail：hotliliangxian@163.com