文 | 朱金奎，姜婷婷，申新賀

準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)風(fēng)能資源對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目投資收益至關(guān)重要。對(duì)于需要在場(chǎng)區(qū)內(nèi)豎立測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估的項(xiàng)目，一般來(lái)說(shuō)，如果場(chǎng)區(qū)地形比較平坦，一座測(cè)風(fēng)塔可以代表周邊5～8km范圍內(nèi)的風(fēng)能資源特征；如果地形復(fù)雜，場(chǎng)區(qū)內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向的時(shí)空變化均很復(fù)雜，一座測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)僅能比較準(zhǔn)確地模擬出其周邊2～3km范圍內(nèi)的風(fēng)能資源。因此，需要根據(jù)場(chǎng)區(qū)地形特征、主導(dǎo)風(fēng)向在合適的位置分別豎立測(cè)風(fēng)塔。

由測(cè)風(fēng)塔獲取的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)通過(guò)風(fēng)能資源評(píng)估軟件計(jì)算得到的是理論發(fā)電量，該發(fā)電量扣除控制和湍流損失、葉片污染損失、風(fēng)電機(jī)組可利用率損失等因素后才對(duì)應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電量。風(fēng)能資源評(píng)估階段各項(xiàng)發(fā)電量損失統(tǒng)一用綜合折減系數(shù)來(lái)表示。綜合折減系數(shù)顯著地影響項(xiàng)目發(fā)電量評(píng)估結(jié)果，其值需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行選取，很大程度上受限于風(fēng)能資源工程師的經(jīng)驗(yàn)。不同項(xiàng)目、不同統(tǒng)計(jì)方式得到的發(fā)電量綜合折減系數(shù)差異較大。據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委于2009年進(jìn)行的調(diào)查，中國(guó)風(fēng)電項(xiàng)目折減系數(shù)范圍大致在20%～45%之間。

本文根據(jù)某山地風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分別選取不同測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)作為輸入條件，利用Meteodyn WT軟件計(jì)算機(jī)位點(diǎn)風(fēng)速、發(fā)電量，并與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析在不同測(cè)風(fēng)塔代表性情況下計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性差異以及風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量綜合折減系數(shù)的差異，評(píng)估測(cè)風(fēng)塔代表性對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估的影響，為以后類(lèi)似山地風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的風(fēng)能資源評(píng)估計(jì)算提供一定借鑒。

項(xiàng)目概況

本文選取的風(fēng)電場(chǎng)位于浙江省南部，安裝有17臺(tái)風(fēng)輪直徑為115m、輪轂高度為80m的2.0MW風(fēng)電機(jī)組和3臺(tái)風(fēng)輪直徑不同的其他機(jī)組。

項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)由兩座山脊組成（圖1），東側(cè)山脊較高，呈東西走向，海拔高度在1500m左右，安裝有F01―F07風(fēng)電機(jī)組；西側(cè)山脊較低，呈西南―東北走向，海拔高度在1350m左右，安裝有F08―F20風(fēng)電機(jī)組。在項(xiàng)目立項(xiàng)、可研階段（2015―2016年），場(chǎng)區(qū)內(nèi)東、西山脊上各有一座測(cè)風(fēng)塔，編號(hào)分別為A、B，海拔高度分別為1351m、1536m，二者之間直線距離約5.7km，后來(lái)均倒塔。項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行后，在B測(cè)風(fēng)塔的原址上重新豎立了一座用于風(fēng)功率預(yù)測(cè)服務(wù)的測(cè)風(fēng)塔。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，地形復(fù)雜，兩座測(cè)風(fēng)塔對(duì)風(fēng)電機(jī)組機(jī)位點(diǎn)的代表性需要分區(qū)分析。西部機(jī)位點(diǎn)與A測(cè)風(fēng)塔在同一條山脊上，并且均在A測(cè)風(fēng)塔周邊3km的范圍內(nèi)，海拔高差不超過(guò)70m，分析可知A測(cè)風(fēng)塔對(duì)西部機(jī)位點(diǎn)的代表性很高；東部機(jī)位點(diǎn)與B測(cè)風(fēng)塔在同一個(gè)山體上，最大間距不到1.6km，海拔高差不超過(guò)60m，分析可知B測(cè)風(fēng)塔對(duì)東部機(jī)位點(diǎn)的代表性很高。但是由于東、西山脊的海拔高差約150m，直線距離接近6km，A測(cè)風(fēng)塔對(duì)東部機(jī)位點(diǎn)、B測(cè)風(fēng)塔對(duì)西部機(jī)位點(diǎn)的代表性均較低。

數(shù)值模擬方案及結(jié)果

根據(jù)收集到的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、場(chǎng)區(qū)地形數(shù)據(jù)和地表粗糙度資料，利用Meteodyn WT軟件模擬場(chǎng)區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布，網(wǎng)格水平分辨率25m，垂直分辨率4m，風(fēng)向扇區(qū)間隔20°。評(píng)估時(shí)段為2017年10月1日至2018年9月30日這一完整年。

根據(jù)輸入Meteodyn WT軟件的測(cè)風(fēng)資料，分以下兩種方案模擬場(chǎng)區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布：（1）只輸入模擬時(shí)段內(nèi)B測(cè)風(fēng)塔實(shí)際測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，以下簡(jiǎn)稱為“單塔計(jì)算”方案；（2）輸入模擬時(shí)段內(nèi)B測(cè)風(fēng)塔實(shí)際測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)以及A測(cè)風(fēng)塔同期測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，以下簡(jiǎn)稱為“雙塔計(jì)算”方案。對(duì)比分析兩種方案計(jì)算得到的場(chǎng)區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布特征差異，并與以風(fēng)電場(chǎng)SCADA數(shù)據(jù)為代表的同期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔、機(jī)位點(diǎn)空間分布（紅色圖標(biāo)：風(fēng)輪直徑為115m的風(fēng)電機(jī)組；黃色圖標(biāo)：風(fēng)輪直徑不同的其他機(jī)組）

圖2 評(píng)估時(shí)段內(nèi)B測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)風(fēng)向（左）、風(fēng)能（右）分布

圖3 單塔計(jì)算得到的場(chǎng)區(qū)內(nèi)80m高度的風(fēng)速（左）、風(fēng)功率密度（右）分布

為了簡(jiǎn)化內(nèi)容，本文僅分析17臺(tái)風(fēng)輪直徑為115m、輪轂高度為80m的風(fēng)電機(jī)組的計(jì)算結(jié)果和SCADA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，機(jī)組編號(hào)為F01―F06、F08―F15、F17―F19。

一、單塔計(jì)算

評(píng)估時(shí)段內(nèi)，B測(cè)風(fēng)塔80m高度的年平均風(fēng)速為6.00m/s，主風(fēng)向?yàn)镾SE、SE，風(fēng)能主導(dǎo)方向?yàn)镾SE（圖2）。根據(jù)B測(cè)風(fēng)塔與附近風(fēng)電機(jī)組的相對(duì)位置（圖1）可知，該測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)風(fēng)速幾乎不會(huì)受到風(fēng)電機(jī)組尾流的“污染”，可以認(rèn)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是該處的自由風(fēng)速。

將B測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入Meteodyn WT軟件，模擬得到場(chǎng)區(qū)內(nèi)80m高度的風(fēng)速、風(fēng)功率密度分布，見(jiàn)圖3。模擬結(jié)果中東、西山脊的風(fēng)速相當(dāng)，風(fēng)功率密度也比較接近，兩條山脊由于地形隆升引起的風(fēng)加速效應(yīng)都體現(xiàn)得很明顯。計(jì)算得到A測(cè)風(fēng)塔處80m高度的年平均風(fēng)速為6.16m/s，17個(gè)機(jī)位點(diǎn)80m高度的年平均風(fēng)速為5.87m/s。其中，機(jī)位點(diǎn)F08處風(fēng)速最高，年平均風(fēng)速為6.73m/s，風(fēng)功率密度為388W/m2；機(jī)位點(diǎn)F19處風(fēng)速最低，年平均風(fēng)速為5.08m/s，風(fēng)功率密度為167W/m2。

二、雙塔計(jì)算

在風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目可研、設(shè)計(jì)階段，A、B測(cè)風(fēng)塔有約1年的同期測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，共同測(cè)風(fēng)時(shí)段內(nèi)A測(cè)風(fēng)塔80m高度的風(fēng)速為5.98m/s，B測(cè)風(fēng)塔80m高度的風(fēng)速為5.39m/s，有效數(shù)據(jù)完整率均在90%以上。兩座測(cè)風(fēng)塔80m高度的風(fēng)速時(shí)間序列之間相關(guān)系數(shù)為0.77（圖4），有較好的相關(guān)性，可以采用直接相關(guān)的方法推算A測(cè)風(fēng)塔在評(píng)估時(shí)段內(nèi)的風(fēng)速。

根據(jù)圖4中的關(guān)系，推算出在該時(shí)段內(nèi)A測(cè)風(fēng)塔80m高度的年平均風(fēng)速為5.39m/s，比單塔計(jì)算結(jié)果低0.77m/s。將B測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及推算得到的A測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)輸入Meteodyn WT軟件，模擬得到場(chǎng)區(qū)內(nèi)80m高度的風(fēng)速、風(fēng)功率密度分布，見(jiàn)圖5。雖然地形隆升引起的風(fēng)加速效應(yīng)仍然比較明顯，但對(duì)比圖3可以發(fā)現(xiàn)，雙塔計(jì)算結(jié)果中西側(cè)山脊的風(fēng)速、風(fēng)功率密度均顯著降低。

圖4 A、B測(cè)風(fēng)塔80m高度的風(fēng)速直接相關(guān)關(guān)系

圖5 雙塔計(jì)算得到的場(chǎng)區(qū)內(nèi)80m高度的風(fēng)速（左）、風(fēng)功率密度（右）分布

圖6 單塔計(jì)算、雙塔計(jì)算結(jié)果中機(jī)位點(diǎn)風(fēng)速與SCADA風(fēng)速對(duì)比

圖7 單塔計(jì)算、雙塔計(jì)算結(jié)果中機(jī)位點(diǎn)發(fā)電量與SCADA發(fā)電量對(duì)比

雙塔計(jì)算時(shí)西部機(jī)位點(diǎn)（F08－F19）的模擬風(fēng)速低于單塔計(jì)算結(jié)果，11個(gè)機(jī)位點(diǎn)的風(fēng)速平均差異為0.70m/s，其中F15處兩種計(jì)算結(jié)果差異最大，達(dá)到0.88m/s。

雙塔計(jì)算結(jié)果中，17個(gè)機(jī)位點(diǎn)80m高度的年平均風(fēng)速為5.41m/s。其中，機(jī)位點(diǎn)F08處風(fēng)速最高，年平均風(fēng)速為6.19m/s，風(fēng)功率密度為296W/m2；機(jī)位點(diǎn)F19處風(fēng)速最低，年平均風(fēng)速為4.75m/s，風(fēng)功率密度為142W/m2。

模擬結(jié)果與SCADA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比

由于葉片遮擋、風(fēng)電機(jī)組尾流和機(jī)艙形狀改變流場(chǎng)等影響因素，風(fēng)電機(jī)組SCADA實(shí)測(cè)風(fēng)速并不等于風(fēng)電機(jī)組輪轂前方自由風(fēng)速，但是二者之間大致為線性關(guān)系，SCADA風(fēng)速可以定性地反映機(jī)位處的風(fēng)速高低。

一、風(fēng)速、發(fā)電量對(duì)比

單塔計(jì)算、雙塔計(jì)算兩種方案的結(jié)果差異主要體現(xiàn)在西部機(jī)位點(diǎn)的風(fēng)能資源情況上。從圖6可知，雙塔計(jì)算結(jié)果中西部機(jī)位點(diǎn)風(fēng)速顯著低于單塔計(jì)算結(jié)果，且整體上雙塔計(jì)算得到的機(jī)位點(diǎn)風(fēng)速與SCADA風(fēng)速的一致性更高。單塔計(jì)算中機(jī)位點(diǎn)風(fēng)速與SCADA風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為0.66，而雙塔結(jié)果中機(jī)位點(diǎn)風(fēng)速與SCADA風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.89，雙塔計(jì)算方案能夠更準(zhǔn)確地模擬出場(chǎng)區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布特征。

類(lèi)似地，單塔計(jì)算結(jié)果中西部機(jī)位點(diǎn)的發(fā)電量顯著高于雙塔計(jì)算結(jié)果（圖7），而雙塔計(jì)算的發(fā)電量與SCADA發(fā)電量的一致性更好，同樣說(shuō)明雙塔計(jì)算方案能夠更準(zhǔn)確地模擬出場(chǎng)區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布特征。

二、發(fā)電量綜合折減系數(shù)

風(fēng)能資源評(píng)估階段一般用發(fā)電量綜合折減系數(shù)來(lái)統(tǒng)一涵蓋影響風(fēng)電機(jī)組出力的各項(xiàng)因素導(dǎo)致的發(fā)電量損失。國(guó)家發(fā)展改革委在2009年發(fā)布了《關(guān)于對(duì)中國(guó)風(fēng)電發(fā)電量折減問(wèn)題的說(shuō)明》，給出了風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量折減因素的類(lèi)別和典型取值范圍（表1）。

本文基于項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分別評(píng)估兩種計(jì)算方案對(duì)應(yīng)的發(fā)電量綜合折減系數(shù)（表2）。單塔計(jì)算時(shí)，本項(xiàng)目全場(chǎng)平均綜合折減系數(shù)為22.7%；雙塔計(jì)算時(shí)，全場(chǎng)平均綜合折減系數(shù)為13.8%。場(chǎng)區(qū)東部機(jī)組（F01―F06）在單塔、雙塔計(jì)算結(jié)果中的綜合折減系數(shù)分別為10.3%、10.1%，差別不大且均比較低；而場(chǎng)區(qū)西部機(jī)組（F08―F19）在單塔、雙塔計(jì)算結(jié)果中的綜合折減系數(shù)分別為29.5%、15.9%，差異顯著。這是因?yàn)樵趩嗡?jì)算中，軟件模型嚴(yán)重高估了海拔高度較低的西側(cè)山脊處的風(fēng)能資源和西部機(jī)組的理論發(fā)電量。

表1 發(fā)電量綜合折減系數(shù)詳情

表2 單塔、雙塔計(jì)算結(jié)果中的發(fā)電量綜合折減系數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖8 單塔、雙塔計(jì)算得到的各機(jī)位點(diǎn)發(fā)電量綜合折減系數(shù)

測(cè)風(fēng)塔對(duì)場(chǎng)區(qū)機(jī)位點(diǎn)的代表性決定了軟件對(duì)機(jī)位點(diǎn)風(fēng)況、發(fā)電量的模擬準(zhǔn)確性，影響著復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估的準(zhǔn)確性。本文中的兩種評(píng)估方法唯一差別在于輸入不同測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)導(dǎo)致的軟件計(jì)算誤差折減差異。當(dāng)測(cè)風(fēng)塔對(duì)場(chǎng)區(qū)所有機(jī)位點(diǎn)的代表性均較高時(shí)（雙塔計(jì)算），軟件計(jì)算誤差較小，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量綜合折減系數(shù)只有13.8%；而當(dāng)測(cè)風(fēng)塔對(duì)機(jī)位點(diǎn)的代表性較低時(shí)（單塔計(jì)算），軟件計(jì)算誤差較大，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量綜合折減系數(shù)增加到22.7%，可見(jiàn)由于測(cè)風(fēng)塔代表性較低導(dǎo)致的軟件計(jì)算誤差較大，額外引入了8.9%的發(fā)電量折減比例。軟件計(jì)算誤差折減的取值在不同測(cè)風(fēng)塔代表性的情況下差異較大，在項(xiàng)目前期風(fēng)能資源評(píng)估工作中需要特別引起關(guān)注。

結(jié)論

復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量評(píng)估的準(zhǔn)確性依賴于測(cè)風(fēng)塔對(duì)機(jī)位點(diǎn)的代表性，需要測(cè)風(fēng)塔的海拔高度、周邊環(huán)境能夠很好地代表預(yù)選風(fēng)電機(jī)組機(jī)位點(diǎn)的情況。如果風(fēng)電項(xiàng)目在測(cè)風(fēng)不足的情況下匆忙上馬，不僅項(xiàng)目投資存在較大風(fēng)險(xiǎn)，也容易造成社會(huì)資源浪費(fèi)。本文通過(guò)采用不同代表性的測(cè)風(fēng)塔組合計(jì)算方案對(duì)場(chǎng)區(qū)風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行的SCADA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到的主要結(jié)論為：

（1）測(cè)風(fēng)塔代表性較高時(shí)，可以基于測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，利用Meteodyn WT模型比較準(zhǔn)確地計(jì)算出場(chǎng)區(qū)內(nèi)風(fēng)能資源分布特征；測(cè)風(fēng)塔代表性較低時(shí)，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性顯著降低。

（2）采用代表性較高的測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，本文中風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量綜合折減系數(shù)為13.8%；如果采用代表性較低的測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)計(jì)算，風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量綜合折減系數(shù)增加到22.7%?？梢?jiàn)，發(fā)電量綜合折減系數(shù)中的“軟件計(jì)算誤差折減”存在較大的變化范圍。