楊富程，韓二紅，王彬濱，劉海坤，黃博文

(四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，610094，成都)

0 引言

風(fēng)電場風(fēng)能資源評估是關(guān)乎風(fēng)電場建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，而影響風(fēng)能資源準(zhǔn)確評估的又是測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)，因此，測風(fēng)塔的代表性對風(fēng)電場的風(fēng)能資源評估至關(guān)重[1－3]。復(fù)雜地形風(fēng)電場由于受到地形地貌、地勢、下墊面以及山體走向等多種復(fù)雜條件的影響，風(fēng)電場不同區(qū)域的成風(fēng)條件、風(fēng)況特征也不同[4－5]，復(fù)雜地形風(fēng)電場測風(fēng)塔所能代表區(qū)域的風(fēng)能資源十分有限，若僅采用某一點或幾點的測風(fēng)數(shù)據(jù)為代表，風(fēng)能資源評估具有很大的不確定性[6－7]。因此，需要在風(fēng)能資源不確定的典型區(qū)域加密測風(fēng)塔，以便準(zhǔn)確評估整個風(fēng)電場風(fēng)能資源的分布情況，保證微觀選址及風(fēng)機選型與布置、發(fā)電量評估的準(zhǔn)確性，進而降低風(fēng)力發(fā)電項目開發(fā)建設(shè)的投資風(fēng)險[8－9]。

復(fù)雜地形風(fēng)電場風(fēng)能資源評估最重要的一點就是測風(fēng)塔是否具有代表性，只有測風(fēng)塔具有代表性才能真正客觀、準(zhǔn)確地評估風(fēng)電場風(fēng)能資源情況。本文通過已投運的復(fù)雜地形風(fēng)電場實際運行的SCADA數(shù)據(jù)，采用不同擬定的方案，利用Windsim軟件對該風(fēng)電場進行風(fēng)能資源評估，計算不同擬定方案下風(fēng)電場機位平均風(fēng)速和可利用小時數(shù)的相對誤差，分析了復(fù)雜地形風(fēng)電場測風(fēng)塔對風(fēng)能資源評估的影響，同時就復(fù)雜地形風(fēng)電場測風(fēng)塔的布設(shè)提出自己的建議，為復(fù)雜地形風(fēng)電項目測風(fēng)塔的選址工作起到一定的借鑒作用。

1 測風(fēng)塔選址原則

復(fù)雜地形風(fēng)電場由于其地形復(fù)雜，測風(fēng)塔所能代表的區(qū)域往往有限，為能夠準(zhǔn)確評估風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)能資源，需要在風(fēng)電場典型區(qū)域設(shè)立多座測風(fēng)塔以降低風(fēng)能資源評估的不確定性。因此，為節(jié)約項目前期投資同時降低風(fēng)能資源評估的不確定性，在設(shè)立測風(fēng)塔時應(yīng)綜合考慮測風(fēng)塔的代表性。

風(fēng)資源是受地形影響最大的氣象要素，受地理位置、下墊面特征及周圍環(huán)境的影響很大，但就同一風(fēng)電場，其大氣結(jié)構(gòu)和地貌特征基本一致，所以其地形特征就決定了風(fēng)電場不同區(qū)域的風(fēng)能資源特性，因此測風(fēng)塔代表性可根據(jù)地形特征相似原則和測風(fēng)塔代表區(qū)域半徑范圍界定[10]。

根據(jù)國家以及行業(yè)的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定[11－13]，測風(fēng)塔位置應(yīng)在風(fēng)電場中具有代表性，能夠基本代表風(fēng)電場的風(fēng)況，并且周圍開闊;測風(fēng)塔位置應(yīng)選擇在風(fēng)電場主風(fēng)向的上風(fēng)向位置;在選擇測風(fēng)塔位置時，附近應(yīng)無高大建筑物、樹木等障礙物，如果無法避開，則與單個障礙物距離應(yīng)大于障礙物高度的3倍，與成排障礙物距離應(yīng)保持在障礙物最大高度的10倍以上;地形較為平坦的風(fēng)電場測風(fēng)塔控制半徑不宜超過5 km，地形較為復(fù)雜的風(fēng)電場選擇不同地段場址安裝測量設(shè)備測風(fēng)塔控制半徑不宜超過2 km等。

2 工程實例

2.1 工程概況

為進一步分析和論證測風(fēng)塔代表性對復(fù)雜地形風(fēng)電場風(fēng)能資源評估的影響，以西南地區(qū)某49.5 MW復(fù)雜山地風(fēng)電場為例，該風(fēng)電場海拔位于2 100～3 350 m之間，地形復(fù)雜，風(fēng)電場內(nèi)海拔變化較大。風(fēng)電場前期設(shè)計階段有3座測風(fēng)塔(A、B和C)，設(shè)計階段根據(jù)3座測風(fēng)塔推算的風(fēng)電場33個機位發(fā)電量均相對較好。但根據(jù)現(xiàn)階段收集到風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機組M1～M33的近3 a運行數(shù)據(jù)，部分風(fēng)機發(fā)電量偏低。M1～M8風(fēng)機和M21～M33風(fēng)機所在區(qū)域主風(fēng)向基本一致，為SW;M9～M20由于受周圍地形的影響，主風(fēng)向為SSW。

本次擬采用風(fēng)電場運行后的風(fēng)電機組SCADA數(shù)據(jù)進行風(fēng)電場風(fēng)能資源評估和發(fā)電量分析，并結(jié)合風(fēng)電場地形地貌等情況，進一步分析測風(fēng)塔布設(shè)位置的代表性對風(fēng)電場風(fēng)能資源評估的影響。但需要說明的是，風(fēng)電機組SCADA數(shù)據(jù)是受風(fēng)電場運行以及尾流干擾后的數(shù)據(jù)，與實際風(fēng)機點位處的風(fēng)能資源情況存在一定的偏差，論文通過采用3年的SCADA數(shù)據(jù)以盡可能降低其影響，提高SCADA測風(fēng)數(shù)據(jù)的可信度。

圖1 風(fēng)電場地形圖和風(fēng)電機組布置圖

2.2 CFD模擬試驗方案

Windsim軟件是一款基于CFD和邊界氣象學(xué)方法，模擬分析風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)能資源特性的風(fēng)電場專業(yè)工具。Windsim采用CFD方法進行空間風(fēng)流模擬，求解三維Navier－Stokes方程，并應(yīng)用合適的湍流模型和邊界條件對風(fēng)電場目標(biāo)區(qū)域的風(fēng)流特性參數(shù)進行求解計算。已有研究表明Windsim軟件對復(fù)雜地形條件下的風(fēng)電場風(fēng)能資源具有一定的模擬能力[4，14－15]。

通過風(fēng)電場1∶10000和1∶50000地形資料、GLC 30粗糙度數(shù)據(jù)、各機組SCADA數(shù)據(jù)以及風(fēng)電機組布置圖，采用Windsim對風(fēng)電場進行建模。Windsim設(shè)置風(fēng)電場核心區(qū)域水平網(wǎng)格分辨率為25 m×25 m，垂直方向上的網(wǎng)格從地面到150 m共分為10層，150 m到邊界層為10層。

從地形上看，該風(fēng)電場屬于隆升的地形，風(fēng)電場盛行風(fēng)向SW和SSW吹過山脊時，山底的風(fēng)速較小，山頂?shù)娘L(fēng)速最大，半山坡風(fēng)速位于中間，但由于受地形影響，山頂、山底和半山腰的風(fēng)速均不可能代表整個風(fēng)電場的實際風(fēng)速。因此，應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場實際地形地貌、風(fēng)機布置等情況，合理布設(shè)測風(fēng)塔。為了能夠進一步分析風(fēng)電場測風(fēng)塔代表性對風(fēng)能資源評估及發(fā)電量的影響，本次采用不同方案對風(fēng)電場區(qū)域進行風(fēng)能資源評估和風(fēng)電場發(fā)電量差異分析。

根據(jù)地形特征相似和測風(fēng)塔代表區(qū)域控制半徑范圍原則，M1～M5機位位于同一山脊上且高程變化不大，選取M4機位點作為該區(qū)域代表測風(fēng)點;M6～M8位于主山脊的一個分支山脊上且高程變化不大，選取M7機位點作為該區(qū)域的代表測風(fēng)點;M9～M20位于同一山脊且高程變化相對不大，選取M15機位點作為該區(qū)域的代表測風(fēng)點;M21～M33位于同一山脊，海拔逐漸降低且變化較大，根據(jù)地形相似原則，選取M21～M25和M26～M33兩段，其中M21～M25選取M23機位點作為該區(qū)域的代表測風(fēng)點;M26～M33選取M30機位點作為該區(qū)域的代表測風(fēng)點。

圖2 風(fēng)電場各風(fēng)機點位高程

擬定方案1:輸入所有已運行風(fēng)力發(fā)電機組(M1～M33)SCADA數(shù)據(jù)對風(fēng)能資源進行評估分析。

擬定方案2:僅輸入海拔較高的風(fēng)力發(fā)電機組(M5)SCADA數(shù)據(jù)對風(fēng)能資源進行評估分析。

擬定方案3:僅輸入海拔較低的風(fēng)力發(fā)電機組(M33)SCADA數(shù)據(jù)對風(fēng)能資源進行評估分析。

擬定方案4:僅輸入平均海拔的風(fēng)力發(fā)電機組(M15)SCADA數(shù)據(jù)對風(fēng)能資源進行評估分析。

擬定方案5:輸入代表性測風(fēng)點的風(fēng)力發(fā)電機組(M4、M7、M15、M23和M30)SCADA數(shù)據(jù)對風(fēng)能資源進行評估分析。

2.3 測風(fēng)塔代表性對風(fēng)能資源評估影響對比分析

2.3.1 風(fēng)電場風(fēng)能資源分布 方案1由所有風(fēng)電機組(M1～M33)測風(fēng)數(shù)據(jù)進行風(fēng)電場風(fēng)能資源評估，因此方案1基本可以客觀準(zhǔn)確地評估整個風(fēng)電場的風(fēng)能資源分布情況。由方案1風(fēng)能資源分布圖可以看出，風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)能資源好的區(qū)域位于風(fēng)電場兩條主山脊的高海拔區(qū)域，風(fēng)速基本隨海拔高度的增加而逐漸增大，風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)機點位風(fēng)速最高值位于M21風(fēng)機處，風(fēng)機點位風(fēng)速最低值位于M33風(fēng)機處;風(fēng)電場M6～M8所在區(qū)域海拔較高，但是實際風(fēng)速遠(yuǎn)低于M1～M5風(fēng)電點位的風(fēng)速，經(jīng)分析主要是由于M6～M8風(fēng)機機位所在的分支山脊受到主風(fēng)向上較高山脊的遮擋效應(yīng)引起的;M9～M20和M21～M33風(fēng)機點位海拔基本呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，與此同時風(fēng)機所在點位風(fēng)能資源也呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖3 方案1風(fēng)電場風(fēng)能資源分布圖

2.3.2 不同方案下風(fēng)能資源分布對比分析 圖4為不同方案下風(fēng)能資源分布圖，為能夠清晰對比，本文將4種方案的風(fēng)能資源圖譜的色帶圖例調(diào)為一致。由圖4可知:不同方案推算模擬的風(fēng)能資源隨海拔變化趨勢基本一致，海拔較高的區(qū)域風(fēng)速較高，海拔較低的區(qū)域風(fēng)速較低;方案2和方案3所在測風(fēng)塔位于相同山脊，但是由于所輸入測風(fēng)塔所在的海拔差異較大，模擬的風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)能資源差異很大，方案3所模擬的風(fēng)電場風(fēng)能資源嚴(yán)重偏低，方案2模擬的風(fēng)能資源較實際值偏高，且對M6～M8分支山脊的風(fēng)能資源明顯高估，誤差較大;方案4所在測風(fēng)塔位于下風(fēng)向的另一山脊上，雖能夠較好地評估測風(fēng)塔所在區(qū)域的風(fēng)能資源，但對左側(cè)上風(fēng)向山脊風(fēng)能資源的模擬明顯偏高;方案5則考慮地形因素、測風(fēng)塔代表區(qū)域控制范圍以及分支山脊受遮擋影響而采用5座測風(fēng)塔評估風(fēng)電場的風(fēng)能資源，經(jīng)分析，方案5基本能夠代表風(fēng)電場風(fēng)能資源的分布情況。

圖4 不同方案風(fēng)電場風(fēng)能資源分布圖

2.3.3 不同方案下發(fā)電量對比分析 通過不同方案計算風(fēng)電場可利用小時數(shù)和各風(fēng)電點位風(fēng)速，具體計算結(jié)果見表1。方案1是根據(jù)所有風(fēng)機點位風(fēng)速推算實際風(fēng)電點位處的發(fā)電量，經(jīng)核實與風(fēng)電場實際運行結(jié)果相差不大。

表1 不同方案下風(fēng)速和可利用小時數(shù)推算結(jié)果及誤差分析

由表1可以看出，采用方案1推算出的風(fēng)電場年可利用小時數(shù)為2 183.4 h，33臺機位平均風(fēng)速為5.05 m/s;方案2中推算的機位平均風(fēng)速和發(fā)電量結(jié)果均高于方案1，其中風(fēng)速偏高9.9%，可利用小時數(shù)偏高19.6%;方案3推算的平均風(fēng)速和發(fā)電量結(jié)果遠(yuǎn)低于實際運行情況，其中風(fēng)速偏低－27.1%，可利用小時數(shù)偏低－62.2%;方案4推算的平均風(fēng)速和發(fā)電量結(jié)果與實際運行結(jié)果差別也較大，其中風(fēng)速偏高41.0%，可利用小時數(shù)偏低53.1%;方案5根據(jù)地形特征相似和測風(fēng)塔代表區(qū)域控制半徑范圍原則，采用代表性測風(fēng)點可以較好地控制風(fēng)電場平均風(fēng)速和可利用小時數(shù)的推算誤差。

3 結(jié)論

風(fēng)電場發(fā)電量的大小直接關(guān)系到風(fēng)電場的收益水平和投資風(fēng)險，影響著項目的整體決策。本文通過對西南已運行某復(fù)雜地形風(fēng)電場的SCADA數(shù)據(jù)分析測風(fēng)塔對風(fēng)能資源評估分析可以得出以下結(jié)論。

1)復(fù)雜地形風(fēng)電場由于地形條件復(fù)雜，為了能夠準(zhǔn)確模擬風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)能資源分布，降低風(fēng)能資源評估的不確定性，降低項目投資風(fēng)險，測風(fēng)塔布設(shè)應(yīng)綜合考慮地形、海拔、測風(fēng)塔控制距離范圍、主風(fēng)向以及遮擋效應(yīng)等因素，合理布設(shè)代表性測風(fēng)塔。

2)復(fù)雜地形風(fēng)電場測風(fēng)塔與機位點的海拔高度差宜控制在100 m以內(nèi);對于地形較為復(fù)雜的風(fēng)電場，測風(fēng)塔代表區(qū)域半徑一般不宜超過2 km;山脊較為平坦且高差變化相對較緩的風(fēng)電場，測風(fēng)塔控制半徑不宜超過3 km;對于風(fēng)電場部分受微地形和遮擋影響的區(qū)域，還應(yīng)加密布設(shè)測風(fēng)塔。

3)一般而言，風(fēng)速隨海拔高度的增加逐漸增大，但復(fù)雜地形風(fēng)電場由于地形條件復(fù)雜，部分區(qū)域受地形原因，風(fēng)速可能會隨海拔高度的增加而減小;測風(fēng)塔應(yīng)選擇在風(fēng)電場主風(fēng)向的上風(fēng)向位置，測風(fēng)塔位于下風(fēng)向，很可能會出現(xiàn)對風(fēng)電場發(fā)電量高估的現(xiàn)象;測風(fēng)塔位置宜避開場址最高、最低以及其它與風(fēng)電場主要地形、地貌或障礙物特征差異較大的地點。

4)對于復(fù)雜地形風(fēng)電場而言，風(fēng)電場測風(fēng)的投資占建設(shè)總投資的比例很小，但對降低項目的開發(fā)投資風(fēng)險具有重大的作用，因此，前期風(fēng)電場的測風(fēng)應(yīng)引起足夠的重視。