舒永富（河南理工大學(xué)，河南　焦作　454000）

河南S低風(fēng)速風(fēng)電場微觀選址研究

舒永富
（河南理工大學(xué)，河南焦作454000）

根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會規(guī)定，河南省區(qū)域?qū)偎念愶L(fēng)能資源區(qū)域，風(fēng)能源資源較三北、沿海地區(qū)有一定差距，但極端大風(fēng)天氣較少，適合大葉片機(jī)組的運(yùn)行。河南省已建、在建風(fēng)電場工程均屬于山地風(fēng)場，地形復(fù)雜，在既定資源條件下，項(xiàng)目單位推崇盡量利用大葉片風(fēng)機(jī)，并結(jié)合地形、地貌特點(diǎn)，進(jìn)行機(jī)位布置，但由于布機(jī)位置有限，受風(fēng)機(jī)尾流影響大葉片機(jī)組不能整裝風(fēng)電場，在追求效益最大化的指導(dǎo)目標(biāo)下，進(jìn)行115型號機(jī)組與105型號機(jī)組混裝。本文旨在對3種微觀選址方案進(jìn)行分析比選，并確定能取得最大收益布機(jī)方案。

風(fēng)電場；微觀選址；尾流；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

1　引言

本文為對《河南省S風(fēng)電場風(fēng)電場可行性研究報(bào)告》風(fēng)機(jī)布置方案進(jìn)行微觀選址復(fù)核計(jì)算。

本文采用的原始測風(fēng)數(shù)據(jù)及地形圖由項(xiàng)目單位提供，本文主要工作內(nèi)容是：

（1）對風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)的完整性、合理性進(jìn)行復(fù)核，修正整編完整的測風(fēng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行發(fā)電量復(fù)核計(jì)算分析。

（2）對風(fēng)機(jī)布置及微觀選址方案進(jìn)行優(yōu)化。

2　風(fēng)電場風(fēng)能資源評價

2.1風(fēng)電場測風(fēng)概況

河南省S風(fēng)電工程場址內(nèi)布設(shè)了兩座測風(fēng)塔，測風(fēng)塔編號為0001#、0002#，0001#測風(fēng)塔測風(fēng)高度為70m，0002#測風(fēng)塔測風(fēng)高度為40m。設(shè)備均為美國賽風(fēng)公司產(chǎn)品，測風(fēng)設(shè)備使用前經(jīng)過北京氣象局標(biāo)定，儀器安裝時嚴(yán)格按照測試參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.2測風(fēng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證及處理

2.2.1完整性檢驗(yàn)

《風(fēng)電場風(fēng)能資源測量方法》（GB/T 18709-2002）標(biāo)準(zhǔn)中要求現(xiàn)場連續(xù)測風(fēng)的時間不應(yīng)少于一年。通過對0001#、0002#測風(fēng)塔的原始測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。0001#和0002#兩測風(fēng)塔在測風(fēng)時段（2010.11.1～2011.10.31）內(nèi)原始測風(fēng)數(shù)據(jù)完整率均相對較好，兩測風(fēng)塔數(shù)據(jù)原始測風(fēng)數(shù)據(jù)完整率分別為95%和93.8%。測風(fēng)塔缺測數(shù)據(jù)產(chǎn)生原因主要是由于2009年2月份測風(fēng)塔遭雷擊導(dǎo)致測風(fēng)設(shè)備故障。

擬采用0001#測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算。分析建立0001#測風(fēng)塔與0002#測風(fēng)塔之間的風(fēng)速相關(guān)關(guān)系，然后根據(jù)相關(guān)關(guān)系對缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析彌補(bǔ)；其次根據(jù)0001#測風(fēng)塔自身不同高度之間的風(fēng)速相關(guān)關(guān)系，對其它高度層的缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析進(jìn)行彌補(bǔ)。

2.2.2不合理數(shù)據(jù)處理及有效數(shù)據(jù)完整率

對風(fēng)電場原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行完整性和合理性分析后，檢驗(yàn)出缺測數(shù)據(jù)與不合理數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)處理，整理出一套連續(xù)完整的風(fēng)場測風(fēng)數(shù)據(jù)：

（1）對不合理數(shù)據(jù)再次分析，找出符合實(shí)際情況的有效數(shù)據(jù)，回歸原始數(shù)據(jù)組。

（2）不合理風(fēng)速數(shù)據(jù)：優(yōu)先使用同塔分層數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系進(jìn)行插補(bǔ)；在各高度風(fēng)速同時發(fā)生缺測時，選用氣象站測風(fēng)同期的有效數(shù)據(jù)利用相關(guān)方程對缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)；

（3）不合理風(fēng)向數(shù)據(jù)：對同一測風(fēng)塔不同高度風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析的基礎(chǔ)上，對不合理風(fēng)向數(shù)據(jù)以同一測風(fēng)塔其它高度或其它測風(fēng)塔的合理風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行替換。

根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》（GB/T18710-2002）標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求，風(fēng)電場測風(fēng)有效數(shù)據(jù)完整率按下式計(jì)算：有效數(shù)據(jù)完整率=（應(yīng)測數(shù)目-缺測數(shù)目-無效數(shù)據(jù)數(shù)目）/應(yīng)測數(shù)目×100%。其中，應(yīng)測數(shù)目表示測量期間的小時數(shù)；缺測數(shù)目表示沒有記錄到的小時平均值數(shù)目，無效數(shù)據(jù)數(shù)目表示確認(rèn)為不合理的小時平均值數(shù)目。依據(jù)上述修正原則，對各測風(fēng)塔的無效數(shù)據(jù)做相關(guān)修正后，將其無效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有效數(shù)據(jù)，修正后的測風(fēng)塔有效數(shù)據(jù)完整率達(dá)到100%。

2.2.3相關(guān)性分析

（1）0001#測風(fēng)塔各層風(fēng)速相關(guān)關(guān)系。0001#測風(fēng)塔不同高度測風(fēng)數(shù)據(jù)的相關(guān)性（R）值均在0.90以上，各層間高度差越大，相關(guān)系數(shù)越小，高度越高相鄰層之間相關(guān)系數(shù)越大。

（2）0001#塔70m高度風(fēng)速與0002#各測風(fēng)高度風(fēng)速相關(guān)關(guān)系。根據(jù)0001#測風(fēng)塔70m高度層在2010年11月7日～2011年10月31日接近一個完整年期間的測風(fēng)數(shù)據(jù)，與0002#同期各高度逐時風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)001#測風(fēng)塔70m高度的觀測風(fēng)速與0002#測風(fēng)塔40m高度的同期觀測風(fēng)速總體相關(guān)系數(shù)為0.9028，相關(guān)關(guān)系較好。

2.3風(fēng)切變指數(shù)

風(fēng)切變指數(shù)代表近地面風(fēng)速隨高度變化的一個指標(biāo)，風(fēng)速隨高度變化服從普朗特經(jīng)驗(yàn)公式，由于地表粗糙度的不同，風(fēng)速隨高度的變化也不同，利用冪次律的風(fēng)廓線公式，可求得不同高度的風(fēng)切變指數(shù)。

式中，Vn、Vi分別為高度Zn、Zi處的風(fēng)速，α為風(fēng)切變指數(shù)，其值與地面粗糙度有關(guān)。風(fēng)切變指數(shù)越大，表示風(fēng)速隨高度增加越快，增加塔架高度所獲得的能量增量越多，采用高塔架越有利。反之，則不需使用過高塔架。

根據(jù)測風(fēng)塔在2009年7月1日～2010年6月30日期間的測風(fēng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各測風(fēng)高度層的年平均風(fēng)速及風(fēng)切變指數(shù)，其中70/50m高度風(fēng)切變指數(shù)為0.098、70/30m高度風(fēng)切變指數(shù)為0.106。再利用冪指數(shù)函數(shù)對測風(fēng)塔風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律進(jìn)行擬合。

從各高度風(fēng)切變指數(shù)變化情況看，0001#測風(fēng)塔風(fēng)速隨高度的增加而增加，其中，70/30實(shí)測風(fēng)速風(fēng)切變指數(shù)最大，為0.106，30/10實(shí)測風(fēng)切變指數(shù)最小，為0.070，冪指數(shù)擬合的風(fēng)切變指數(shù)為0.085。本項(xiàng)目預(yù)選輪轂高度為80m，對于山地地形，風(fēng)速隨高度的變化規(guī)律性不強(qiáng)，70/50實(shí)測風(fēng)切變指數(shù)為0.098，略微偏大。為保守起見，后文在不同輪轂高度處風(fēng)速推算時均按0.085進(jìn)行計(jì)算。

2.4空氣密度

空氣密度取決于風(fēng)電場當(dāng)?shù)販囟群蜌鈮骸?/p>

ρ=（353.05/T）exp[-0.034（Z/T）]

式中：

ρ為平均空氣密度（kg/m3）；

Z為風(fēng)場海拔高度（m）；

T為風(fēng)電場多年空氣開氏溫標(biāo)絕對溫度（℃+273）。

9217#測風(fēng)塔實(shí)測年平均溫度為14.2℃，年平均大氣壓為95.22kPa，計(jì)算得到測風(fēng)塔海拔處空氣密度為1.152kg/m3。

表1　方案一發(fā)電量計(jì)算詳值

3　風(fēng)電場發(fā)電量復(fù)核計(jì)算

3.1計(jì)算條件、方法及步驟

3.1.1計(jì)算前提

（1）風(fēng)資源數(shù)據(jù)采用。各方案均采用0001#測風(fēng)塔在2009年11月～2010年10月一個完整年期間的風(fēng)資源數(shù)據(jù)作為代表年進(jìn)行分析。

（2）風(fēng)電機(jī)組機(jī)型。電場共設(shè)計(jì)安裝25臺單機(jī)容量為2.0MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量為50MW。采用標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的功率曲線，輪轂高度80m考慮。

（3）風(fēng)電場空氣密度為1.152kg/m3。

（4）由于風(fēng)電場場址地表植被稀少、多農(nóng)田，根據(jù)地形地貌，地表粗糙度取0.13～0.25。

（5）風(fēng)機(jī)布置。機(jī)組以WN主導(dǎo)風(fēng)能布置在區(qū)域內(nèi)的山脊上。

3.1.2計(jì)算方法及步驟

根據(jù)其風(fēng)能資源特點(diǎn)和場區(qū)地形條件，按照項(xiàng)目在選定的場區(qū)范圍和裝機(jī)規(guī)模要求，按尾流影響最小、主風(fēng)能方向風(fēng)機(jī)間距不小于5倍風(fēng)機(jī)葉片直徑長度、垂直主風(fēng)能方向風(fēng)機(jī)間距不小于3倍風(fēng)機(jī)葉片直徑長度、湍流強(qiáng)度小于0.2、入流角小于8°、年發(fā)電量最大為原則，利用WindFarmer軟件分別對各比選機(jī)型方案的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化布置后，再根據(jù)風(fēng)電場地形條件、主風(fēng)能方向，對部分機(jī)位進(jìn)行了調(diào)整，采用MeteodynWT軟件對各機(jī)型方案風(fēng)電機(jī)組理論發(fā)電量和尾流影響進(jìn)行計(jì)算。

本次計(jì)算項(xiàng)目單位提供25個機(jī)位坐標(biāo)及其發(fā)電量，風(fēng)場選擇的代表機(jī)型為UP2000型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。本次優(yōu)化共進(jìn)行四次計(jì)算，分別將其命名為方案一、方案二、方案三。三種方案具體情況見表1～表3。

（3）考慮空氣密度、控制和湍流、葉片污染、風(fēng)機(jī)利用率、功率曲線保證率、氣候停機(jī)影響和廠用電和線損等因素進(jìn)行折減修正，除尾流影響外，其它各影響總和均按相同折減系數(shù)（0.751）計(jì)算。

3.1.3計(jì)算成果

根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)機(jī)輪轂高度處風(fēng)能資源分布（圖3），考慮各種約束條件，采用MeteodynWT軟件進(jìn)行計(jì)算。并采用WindFarmer軟件進(jìn)行風(fēng)機(jī)位置排布，根據(jù)現(xiàn)場情況做出三種布機(jī)方案。

3.2風(fēng)電場年發(fā)電量計(jì)算及比較

本次計(jì)算除尾流影響外，其他影響產(chǎn)生的折算系數(shù)按原發(fā)電量計(jì)算表中的取值，即為75.1%。

通過詳細(xì)計(jì)算得出如下結(jié)論:根據(jù)項(xiàng)目單位提可布機(jī)位置，通過對布機(jī)機(jī)位及機(jī)型的調(diào)整后計(jì)算各方案的發(fā)電量及利用小時數(shù)可見：方案二的利用小時數(shù)為2032h，方案一的利用小時數(shù)較低為1904h，方案三的利用小時數(shù)為2148h，為上述方案中利用小時數(shù)最高。由于風(fēng)場測風(fēng)區(qū)域內(nèi)可布機(jī)點(diǎn)較少，備用機(jī)位少，根據(jù)風(fēng)場現(xiàn)場情況，綜合考慮各要素建議采用方案三，由9臺UP2000-105機(jī)型與16臺UP2000-115機(jī)型混裝，風(fēng)場全年預(yù)計(jì)發(fā)電量為147104MWh，年上網(wǎng)電量107402MWh，年等效利用小時數(shù)為2148h。

表2　方案二發(fā)電量計(jì)算詳值

表3　方案三發(fā)電量計(jì)算詳值

結(jié)論

本文中方案三符合現(xiàn)場條件，為首選方案，采用9臺UP2000-105機(jī)型與16臺UP2000-115機(jī)型混裝，風(fēng)場全年發(fā)電量為147104MWh，年上網(wǎng)電量107402MWh，年等效利用小時數(shù)為2148h，是以“最大限度利用風(fēng)資源，風(fēng)電場發(fā)電量最大”原則進(jìn)行風(fēng)機(jī)優(yōu)化布置，未考慮場內(nèi)道路建設(shè)、機(jī)電設(shè)備及安裝、基建費(fèi)用、施工場地等因素的影響，具體技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較需進(jìn)一步開展專題研究。

[1]張旭.郴州市TTS風(fēng)電場項(xiàng)目建設(shè)可行性研究[D].2012.

[2]龐浩.復(fù)雜地形風(fēng)電場分析及風(fēng)場選擇[D].天津大學(xué)，2011.

[3]楊光.風(fēng)電場可行性分析的關(guān)鍵技術(shù)與方法[D].華北電力大學(xué)，2013.

指導(dǎo)教師：河南理工大學(xué)，高國富。

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