王海云 張革榮

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830049）

0 引言

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)電專(zhuān)業(yè)人才的需求逐漸增大。除了風(fēng)電場(chǎng)要配備風(fēng)電運(yùn)維檢修人員，風(fēng)電機(jī)組制造廠商和風(fēng)電技術(shù)服務(wù)廠商也要派出相應(yīng)的運(yùn)維檢修人員協(xié)助風(fēng)電場(chǎng)［1］。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)涵蓋了電機(jī)學(xué)、電力電子學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制、機(jī)械傳動(dòng)等多個(gè)交叉學(xué)科，涉及氣象、材料、空氣動(dòng)力學(xué)、電氣工程、機(jī)械工程、檢測(cè)認(rèn)證等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域［2］。國(guó)內(nèi)的機(jī)械工程學(xué)院和電氣工程學(xué)院本科專(zhuān)業(yè)陸續(xù)開(kāi)展了風(fēng)力發(fā)電相關(guān)的課程，有些學(xué)院還開(kāi)設(shè)了風(fēng)能專(zhuān)業(yè)。新疆大學(xué)從2005年開(kāi)始開(kāi)設(shè)風(fēng)力發(fā)電相關(guān)的本科課程，并于2011年設(shè)立風(fēng)能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)，培養(yǎng)在新能源領(lǐng)域從事相關(guān)工程技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究、工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行及生產(chǎn)管理工作的跨學(xué)科復(fù)合型高級(jí)工程技術(shù)人才。

在風(fēng)能專(zhuān)業(yè)的本科教學(xué)中，由于環(huán)境條件有限，只能講授有關(guān)理論知識(shí)和方法，不能提供理論的驗(yàn)證以及實(shí)踐，使學(xué)生對(duì)有關(guān)知識(shí)方法感到抽象難懂，不利于理論基礎(chǔ)的鞏固和方法的掌握。本文以風(fēng)能資源的評(píng)估方法為例，將理論教學(xué)與風(fēng)電場(chǎng)選址軟件WindPRO實(shí)例分析相結(jié)合，旨在幫助學(xué)生更好地理解掌握風(fēng)力發(fā)電的有關(guān)知識(shí)，鍛煉實(shí)際操作能力，提高分析和解決問(wèn)題的能力。

1 風(fēng)電場(chǎng)選址軟件WindPRO

丹麥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的WindPRO軟件是在WAsP軟件的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的風(fēng)資源評(píng)估和風(fēng)電場(chǎng)選址軟件，基于風(fēng)資源數(shù)據(jù)、風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際位置以及待選機(jī)型的參數(shù)，模擬添加地形粗糙度、障礙物等因素，以精確的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)分析、高精度的數(shù)字地形圖、不同的湍流及尾流模型選擇等優(yōu)勢(shì)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行選址和機(jī)位排布及優(yōu)化，估算風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量。新疆大學(xué)購(gòu)買(mǎi)了正版的WindPRO軟件，并利用該軟件開(kāi)展本科專(zhuān)業(yè)的風(fēng)力發(fā)電相關(guān)課程的教學(xué)，理論與實(shí)際相結(jié)合，把理論公式和原始數(shù)據(jù)以圖形的形式展示給學(xué)生，達(dá)到很好的教學(xué)效果。

WindPRO軟件工作流程如下：工程建立→數(shù)據(jù)輸入→數(shù)據(jù)分析處理→風(fēng)能資源評(píng)估→風(fēng)電機(jī)組選型→發(fā)電量預(yù)測(cè)→環(huán)境影響評(píng)估→電網(wǎng)接入→考慮損耗的發(fā)電量預(yù)測(cè)→機(jī)位優(yōu)化排布。

WindPRO軟件內(nèi)包含有很多不同用途的模塊，可根據(jù)不同目的選擇使用。其中風(fēng)電場(chǎng)模塊PARK用于計(jì)算因尾流效應(yīng)而產(chǎn)生的陣列損失、計(jì)算含尾流模型時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)量，通過(guò)對(duì)比可以看出尾流造成的產(chǎn)量損失，其中還包括各個(gè)扇區(qū)的風(fēng)電產(chǎn)量和各個(gè)扇區(qū)的尾流造成的損失，從而得到哪個(gè)風(fēng)區(qū)尾流損失最大，為最終的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組排布優(yōu)化提供依據(jù)。針對(duì)本科生風(fēng)能資源評(píng)估的學(xué)習(xí)，只需掌握基礎(chǔ)模塊、氣象模塊METEO和模型模塊MODEL。

（1）基礎(chǔ)模塊：1）項(xiàng)目管理器，項(xiàng)目管理器主要用來(lái)建立新項(xiàng)目，在新項(xiàng)目中可以加入制作好的風(fēng)電場(chǎng)地形圖，并提供在線(xiàn)導(dǎo)入某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的背景地形圖功能；2）特殊用途工具，主要有對(duì)風(fēng)電場(chǎng)背景地形圖模擬添加等高線(xiàn)、風(fēng)電機(jī)組、氣象對(duì)象、障礙物、區(qū)域?qū)ο蟠植诙?、?shù)字高程地形圖下載等；3）風(fēng)機(jī)目錄，WindPRO軟件提供了目前世界上最先進(jìn)、最全面的風(fēng)機(jī)對(duì)象；4）在線(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)免費(fèi)接口，通過(guò)在線(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)接口可下載某區(qū)域地形、等高線(xiàn)等。

（2）氣象模塊 METEO：把從氣象站或者現(xiàn)場(chǎng)記錄得到的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)添加到氣象模塊中，經(jīng)過(guò)氣象模塊對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的處理可以得到威布爾分布曲線(xiàn)、風(fēng)玫瑰圖、風(fēng)功率、湍流強(qiáng)度等。

（3）模型模塊MODEL：通過(guò)該模塊可以和 WAsP軟件相結(jié)合，可利用WAsP軟件得到的結(jié)果，進(jìn)行一系列計(jì)算。例如，利用模型模塊MODEL和WAsP軟件相結(jié)合可得到風(fēng)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)風(fēng)統(tǒng)計(jì)可以得出各種風(fēng)機(jī)在某風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域中的發(fā)電量、風(fēng)資源地形圖等，風(fēng)資源地形圖是最后進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組排布優(yōu)化的最關(guān)鍵因素。

2 風(fēng)資源評(píng)估實(shí)例

對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)一年內(nèi)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和地形進(jìn)行了整理分析，把整理好的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和高精度的數(shù)字地形圖導(dǎo)入WindPRO軟件中，就可得到該風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如風(fēng)頻曲線(xiàn)圖、風(fēng)能玫瑰圖、風(fēng)向玫瑰圖、風(fēng)廓線(xiàn)圖、湍流強(qiáng)度圖等。

2.1 新建項(xiàng)目

首先在WindPRO的窗口界面上創(chuàng)建一個(gè)圖層，在地圖上創(chuàng)建適當(dāng)數(shù)量的風(fēng)電機(jī)組，然后將添加的風(fēng)電機(jī)組添加到新建的圖層中，其中選擇恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)類(lèi)型也是關(guān)鍵的一步，最后設(shè)置適當(dāng)?shù)拿颗棚L(fēng)機(jī)數(shù)以及風(fēng)機(jī)間的距離。本文選定的每排風(fēng)機(jī)數(shù)是2臺(tái)，風(fēng)機(jī)間的距離是400m，風(fēng)機(jī)類(lèi)型是VESTAS V90－2MW，創(chuàng)建風(fēng)電機(jī)組對(duì)象后的數(shù)字地形圖如圖1所示。

2.2 測(cè)風(fēng)原始數(shù)據(jù)分析與處理

為保證風(fēng)資源統(tǒng)計(jì)值的有效性，測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并在相應(yīng)的位置上補(bǔ)上合理的數(shù)據(jù)。需要從代表性、正確性和完整性3個(gè)方面核定已有的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，在核定之后我們才可以檢驗(yàn)處理的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。合理性檢查包含獲得的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的最大值、最小值是否都在規(guī)定的范圍內(nèi)，有沒(méi)有超過(guò)規(guī)定值的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性查驗(yàn)，用于判斷某一種數(shù)據(jù)在不同的高度得到的值是否合理，比如測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)中的風(fēng)速值在不同塔高處對(duì)比是否合理，各種參數(shù)的變化趨勢(shì)是否合理等。

完整性包括測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)是否足夠，是否按照預(yù)定的起始和終止時(shí)間，漏測(cè)數(shù)據(jù)的比例是否超過(guò)1%等。測(cè)量的風(fēng)速是否超過(guò)要求的上下限，數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)是否符合邏輯變化。

圖1 創(chuàng)建風(fēng)電機(jī)組后的數(shù)字地形圖

2.3 風(fēng)資源統(tǒng)計(jì)圖

把整理后的原始風(fēng)資源數(shù)據(jù)導(dǎo)入 WindPRO軟件，可以得到對(duì)象數(shù)據(jù)表頁(yè)，該軟件以圖表的形式顯示風(fēng)資源數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，直觀反映風(fēng)能資源的特征值。借助WindPRO軟件，學(xué)生能夠把相關(guān)的風(fēng)頻分布曲線(xiàn)、風(fēng)廓線(xiàn)、湍流強(qiáng)度、風(fēng)向玫瑰圖和風(fēng)能玫瑰圖等理論知識(shí)與實(shí)際數(shù)據(jù)形成的圖表進(jìn)行對(duì)應(yīng)，把理論知識(shí)形象化，便于消化吸收。

（1）威布爾曲線(xiàn)圖和頻率曲線(xiàn)圖。風(fēng)頻分布常用威布爾曲線(xiàn)圖和風(fēng)頻扇區(qū)圖來(lái)表示，如圖2所示。

圖2 各個(gè)高度下的威布爾曲線(xiàn)圖和頻率曲線(xiàn)圖

圖2 以實(shí)際某風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)為例，利用WindPRO軟件得到各個(gè)測(cè)量高度威布爾曲線(xiàn)圖和頻率曲線(xiàn)圖，其從10m、25m、40m、60m、70m5個(gè)高度顯示了威布爾曲線(xiàn)和頻率曲線(xiàn)。

（2）風(fēng)能玫瑰圖。風(fēng)能密度的公式為：

式中，V 為風(fēng)速，ρ為空氣密度值，通常取1.225kg／m3。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能玫瑰圖如圖3所示，其中包括了風(fēng)區(qū)的風(fēng)速大小和頻率分布大小，利用 WindPRO軟件處理之后可以得到10m、25m、40m、60m、70m高度處的風(fēng)能玫瑰圖。

（3）湍流。利用WindPRO軟件得到在10m、25m、40m、60m、70m各個(gè)高度下的湍流強(qiáng)度圖像，湍流強(qiáng)度可以反映該風(fēng)電場(chǎng)大氣氣流波動(dòng)情況，湍流越小，說(shuō)明該風(fēng)電場(chǎng)氣流波動(dòng)越小，越是我們所需要的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)。國(guó)際上常用湍流強(qiáng)度I15來(lái)衡量湍流強(qiáng)度的大小，即14.5m／s＜v＜15.5m／s風(fēng)速段內(nèi)的湍流強(qiáng)度。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：風(fēng)速越大，湍流強(qiáng)度越小，而且風(fēng)速很低時(shí)湍流強(qiáng)度主要是由大氣的穩(wěn)定程度決定的。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能玫瑰圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文列舉了WindPRO軟件在風(fēng)資源基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)過(guò)程中的部分應(yīng)用實(shí)例，較為詳盡地說(shuō)明了相關(guān)理論知識(shí)與統(tǒng)計(jì)圖表的關(guān)系，介紹了WindPRO軟件中的建立工程及風(fēng)資源統(tǒng)計(jì)的方法。在本科教學(xué)中，將WindPRO軟件與課本理論知識(shí)相結(jié)合進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的注意力更加集中，對(duì)課本知識(shí)的理解掌握更加牢固，并且活躍了課堂氣氛，理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式更能引起學(xué)生們的興趣。

WindPRO軟件取風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，讓學(xué)生從風(fēng)能資源特性、風(fēng)電機(jī)組類(lèi)型、風(fēng)電場(chǎng)選址方法、尾流影響等方面多角度理解風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組選型和機(jī)位排布優(yōu)化，是理論聯(lián)系實(shí)際的典范。許多學(xué)生對(duì) WindPRO軟件產(chǎn)生了濃厚興趣，并積極主動(dòng)學(xué)習(xí)軟件并利用軟件研究有關(guān)風(fēng)電場(chǎng)的其他問(wèn)題，提高了他們自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立研究的能力。WindPRO軟件在本科教學(xué)中的應(yīng)用取得了良好的效果，增加了學(xué)生們的專(zhuān)業(yè)技能，更有助于培養(yǎng)風(fēng)電專(zhuān)業(yè)人才。

［1］張潤(rùn)華.風(fēng)電相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程體系的構(gòu)建與實(shí)施［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013，12（8）：214－215.

［2］任永峰，彭偉，張利宏，等.內(nèi)蒙古風(fēng)能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)與課程體系探索［J］.中國(guó)電力教育，2013（17）：36－37，44.