華澤嘉，張嘯迪，路凱

(1.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012;2.北京天潤新能投資有限公司，北京100101;3.國電龍源電力技術(shù)工程有限責任公司，北京100039)

截止2015年2月底，我國并網(wǎng)的風電裝機容量首次突破1億千瓦，達10 004萬千瓦，持續(xù)穩(wěn)居我國第三大發(fā)電類型和世界風電裝機容量的首位。風電行業(yè)的快速發(fā)展對風電開發(fā)技術(shù)不斷提出新的要求。風電行業(yè)在早期發(fā)展過程中，由于有豐富的優(yōu)質(zhì)風能資源儲備。因此，在風電項目開發(fā)過程中，尤其是前期風機選址、選型，并沒有對風資源評估工作給予足夠的重視，導致開發(fā)的部分風電項目發(fā)電量低于預期，投資收益無法得到保障［1］。隨著風電行業(yè)的不斷發(fā)展，與之相對應的前期開發(fā)技術(shù)在大量工程實踐中不斷得到創(chuàng)新，提高并最終服務于包括風機研發(fā)、風機制造、風電項目開發(fā)、風電場運行維護以及風電場后評價在內(nèi)的風電項目全生命周期。

風電項目前期開發(fā)工作包括了宏觀選址和微觀選址兩個部分。其中，宏觀選址是在風能資源豐富地區(qū)通過分析收集得到的氣象、交通、地質(zhì)、地形地貌、電網(wǎng)接入等關(guān)鍵要素資料，篩選出適合進行風電項目開發(fā)的區(qū)域［2］;而微觀選址則是在篩選出的區(qū)域立塔測風的基礎上，通過對實測風數(shù)據(jù)的處理分析，利用風資源評估軟件優(yōu)化風機點位排布并計算發(fā)電量和相應的尾流損失，結(jié)合項目整體成本估算，評估項目投資收益，最終確定項目的可行性。

其中，處理測風數(shù)據(jù)，計算風況參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場地形、地貌特征利用風資源評估軟件優(yōu)化風機點位排布，提高發(fā)電量，降低尾流損失，保證項目收益是前期開發(fā)技術(shù)工作的重點。

1 測風數(shù)據(jù)處理

GB/T18709－2002《風電場風能資源測量方法》要求風電項目開發(fā)必須有至少一個完整年連續(xù)測風數(shù)據(jù)且現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)完整率在98%以上［3］。測風數(shù)據(jù)是在待開發(fā)區(qū)域樹立測風塔實測得到的反映測量期間現(xiàn)場風能資源狀況的相關(guān)數(shù)據(jù)，一般包括不同高度層的風速、風向數(shù)據(jù)以及氣壓、溫度、濕度等氣象要素。其中，最重要的就是風速數(shù)據(jù)。

由于現(xiàn)場條件復雜多變，現(xiàn)場測風一般可能會因極端天氣及其他不可預知的情況干擾而不能準確測量風速數(shù)據(jù)。為了獲得足夠多準確的測風數(shù)據(jù)，工程師會在測風塔的幾個關(guān)鍵高度層分別安裝測風儀器，并利用相同高度層以及不同高度層之間的相關(guān)性關(guān)系分析實測風速數(shù)據(jù)，利用相關(guān)性關(guān)系和風切變原理剔除不合理數(shù)據(jù)并進行插補計算，并最終保證用于風資源評估的有效數(shù)據(jù)完整率在90%以上。其中，有效數(shù)據(jù)完整率計算如下式:

式中:應測數(shù)目為測量期間小時數(shù);缺測數(shù)目為沒有記錄到的小時平均值數(shù)目;無效數(shù)據(jù)數(shù)目為確認為不合理的小時平均值數(shù)目［4］。

(1)風速數(shù)據(jù)的相關(guān)性

在統(tǒng)計學中，用協(xié)方差表示兩個隨機變量之間的相互關(guān)系。對于離散的隨機變量

X與Y的相關(guān)系數(shù)為

同時，刻測風塔數(shù)據(jù)和同期其他參考站數(shù)據(jù)均可以根據(jù)計算方式計算風速數(shù)據(jù)相關(guān)性;而在實際工程中則往往通過對兩組數(shù)據(jù)進行散點圖插入，直接在圖形中依據(jù)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性進行數(shù)據(jù)的剔除和替換。

(2)風切變

風切變可以認為是風廓線的數(shù)學表達式，根據(jù)實測風速擴線通過風切變分析可以由一個高度推導。同時，刻另一個高度風速數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)處理過程中進行數(shù)據(jù)插補的重要手段。風切變冪律公式如下:

式中:α為風切變指數(shù);v2為高度z2的風速;v1為高度z1的風速。

隨著風機輪轂高度的不斷提高，工程中往往需要取得高于測風高度的平均風速數(shù)據(jù)，此時為了外推數(shù)據(jù)的準確性，我們需要根據(jù)測風塔不同高度平均風速的冪函數(shù)關(guān)系進行風切變指數(shù)的擬合:

式中:y為擬求高度平均風速;x為擬求高度;b為綜合風切變指數(shù)。

2 風速分布模型分析

自然形成的風看似隨機、多變卻在空間和時間上遵循著一定的變化和分布規(guī)律，研究風資源變化首先需要明確風速分布的概率分布模型和相關(guān)參數(shù)。隨著對風速分布模型研究的不斷深入和工程實踐經(jīng)驗總結(jié)發(fā)現(xiàn)，威布爾分布模型是描述風速分布最準確的分布模型，在國內(nèi)外風資源評估和風電項目經(jīng)濟評價等方面都已廣泛使用威布爾分布模型。

威布爾分布如下:

式中:k和c分別為威布爾分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)。

對于威布爾分布參數(shù)的計算有多種方法，工程實際中常根據(jù)《全國風能資源評價技術(shù)規(guī)定》推薦的以平均風速和標準差結(jié)合伽馬函數(shù)估算威布爾分布參數(shù)。筆者就風資源評估軟件WASP采用的計算方法——等能量密度法介紹威布爾分布參數(shù)的一種計算方法。

等能量密度法是基于保證能夠最大限度的表達風的能量，通過如下兩個條件估計威布爾分布的參數(shù):

①實測風能密度和威布爾分布計算的風能密度相等;

②實測風速數(shù)據(jù)與威布爾分布計算的超過風速平均值的概率相等。

根據(jù)條件①，由于風能與風速的三次方成正比，所以有

故

因此，

任務與其所屬區(qū)域中心點的距離Ri:完成與未完成的平均灰色關(guān)聯(lián)度為0.90385，是四大影響因素中相對較低的，但是也不可忽視。四大影響因子的平均關(guān)聯(lián)度都在0.9以上，影響因素定義正確且不可忽視。

根據(jù)條件②，假設實測風速超過實測平均風速的概率為P則有:

因此，

令k初值為2，經(jīng)過迭代運算，直到求得k穩(wěn)定解［5］。

3 基于WASP的風電場布機優(yōu)化分析

本文選取北方某待開發(fā)發(fā)電項目區(qū)域，以該區(qū)域一個完整年的測風數(shù)據(jù)，結(jié)合Global Mapper獲取的等高線數(shù)字地形圖，利用丹麥里索風能實驗室開發(fā)的風資源評估軟件WASP，對待開發(fā)區(qū)域進行風機點位微觀選址并進行優(yōu)化分析。在布機過程中，首先根據(jù)地形和測風數(shù)據(jù)以及待選風力發(fā)電機組的功率曲線信息，計算待開發(fā)區(qū)域的風能資源分布圖譜，綜合地形和風能資源分布圖譜確定風機點位布置;并根據(jù)計算結(jié)果，對受尾流效應影響明顯的風機點位進行調(diào)整或者剔除處理，最終在提高發(fā)電量和降低尾流損失之間得到平衡，提高整個風場的排布效率。

(1)測風數(shù)據(jù)處理與相關(guān)性分析

利用相關(guān)性和風切變原理對該區(qū)域?qū)崪y風速數(shù)據(jù)進行插補替換，得到該區(qū)域?qū)崪y風速數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析如圖1所示。圖1是70 m高度層兩個風速通道實測風速數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性分析，圖2是70 m高度層與50 m高度層風速通道實測風速數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性分析。可以看到，通過插補計算之后，兩組數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R均超過了0.99，相關(guān)性非常好，滿足風資源評估工作的需要。

圖1 70m高度層風速數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

圖2 70－50 m高度層風速數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

(2)風圖譜分析

(3)布機優(yōu)化分析

由計算得出的風資源圖譜并結(jié)合風向、數(shù)字地形圖等要素共同分析，選擇圖4所示的布機方式。

圖3 風資源圖譜

圖4 布機方式Ⅰ

利用WASP內(nèi)置計算模型可得風場總體發(fā)電量和尾流損失理論數(shù)值如表1所示。

表1 布機方式Ⅰ發(fā)電量與尾流損失統(tǒng)計表

風場單個機位點發(fā)電量及尾流損失如表2所示。

表2 布機方式Ⅰ各機位點發(fā)電量及尾流損失統(tǒng)計表

續(xù)表2

根據(jù)WASP計算結(jié)果，綜合考慮發(fā)電量和尾流損失兩個方面，剔除16號、17號、21號機位點，同時調(diào)整13號、14號機位點位置，形成如圖5所示排布方式。

圖5 布機方式Ⅱ

風場總體發(fā)電量和尾流損失數(shù)值如表3所示。

表3 布機方式Ⅱ發(fā)電量與尾流損失統(tǒng)計表

風場單個機位點發(fā)電量及尾流損失如表4所示。

表4 布機方式Ⅱ各機位點發(fā)電量及尾流損失統(tǒng)計表

總結(jié)上述兩種布機方案如表5所示。

表5 兩種布機方式對比

由上述統(tǒng)計結(jié)果可以看出，雖然布機方式Ⅱ較布機方式Ⅰ減少了三臺風機點位并由此導致總發(fā)電量降低10.171 GWh，但是卻使尾流損失比降低了2.63%，風機排布效率提高了2.624%，極大提高了風場能量利用率，降低機組因受尾流效應影響而產(chǎn)生的額外后期維護費用。

4 結(jié)論

不同布機方式會產(chǎn)生明顯發(fā)電量和尾流損失的差異，并對整個項目收益產(chǎn)生重要影響。風場裝機容量設置不能單純的以提高發(fā)電量為目標，而應該結(jié)合發(fā)電量、排布效率、建設成本等多方面因素綜合考慮，以獲得最大項目投資收益為目標合理設置待開發(fā)區(qū)域裝機容量和風機點位布置，提高風場能量利用率，降低尾流效應的影響以降低后期維護費用。在發(fā)電量和風機排布效率之間相互平衡，協(xié)調(diào)項目用地面積和提高發(fā)電量、降低尾流損失之間的矛盾，是微觀選址工作的重要內(nèi)容;利用風資源評估軟件結(jié)合精確的數(shù)字地形圖和風資源圖譜進行風力發(fā)電機組機位點布置優(yōu)化可以大大提高機位點排布工作的效率，并降低機位點布置過程中的風險。

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