黃權(quán)開 盧成志 劉永生 趙章樂 馬東

摘要：為了提高復(fù)雜地形風電場建設(shè)和運行時期的經(jīng)濟性，需要對風能資源評估和微觀選址進行研究。以安徽省東至風電場項目為例，基于計算流體力學(xué)方法，提出了一種使用WT和WindPRO兩款風資源專業(yè)軟件相結(jié)合的新方法。根據(jù)場區(qū)內(nèi)3座測風塔實測完整年測風數(shù)據(jù)，完成了場區(qū)風能資源評價、風能資源圖譜計算、發(fā)電量計算和經(jīng)濟性比較，選出了性能及經(jīng)濟性均占優(yōu)的機型和布機方案。結(jié)果表明：① WT計算的風能資源圖譜精確，最終的發(fā)電量計算結(jié)果較WindPRO計算結(jié)果更貼近實際;② WindPRO在微觀選址和確定布機方案方面有很好的優(yōu)勢，為WT的發(fā)電量計算提供了良好的風機坐標。研究結(jié)果可為實際的工程設(shè)計工作提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

風能資源評估; 微觀選址; WT; WindPRO; 復(fù)雜地形

中圖法分類號： TM614

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.015

0 引 言

發(fā)展持續(xù)可再生的風力發(fā)電事業(yè)越來越受到世界各國的重視，在風電的開發(fā)和建設(shè)過程中，最基本的客觀條件是所開發(fā)的區(qū)域具有較豐富的風能資源，風速、風向穩(wěn)定的特點才具備開發(fā)前景[1]。其中，風能資源評估和風電機組微觀選址是最重要的前期工作，確保對開發(fā)區(qū)域風能資源充分合理利用。在風能資源不斷開發(fā)的進程中，風電場規(guī)劃選址從最初的平坦地形（平原、戈壁灘）、風速、風向穩(wěn)定、易施工建設(shè)區(qū)域向地形復(fù)雜、影響因素多、開發(fā)難度大的區(qū)域延伸[2]。

風資源評估的商業(yè)軟件中，WAsP及基于WAsP開發(fā)的WindPRO為代表的相關(guān)軟件適用于地勢平坦區(qū)域，對復(fù)雜地形的風資源情況處理結(jié)果與實際工程應(yīng)用存在一定偏差。目前，我國已有學(xué)者對WAsP軟件的線性模型進行改進研究[3]，但仍缺乏專門解決復(fù)雜地形風資源評估的非線性模型。Meteodyn WT（WT）軟件能對復(fù)雜地形風能資源做較精確的評估，它是以計算流體力學(xué)（CFD）為核心方法來進行建模評估復(fù)雜地形風資源的專業(yè)軟件。實際工程中，WT對復(fù)雜山區(qū)的風能資源評估與實際情況更為貼合，能很好保證復(fù)雜地形條件下計算結(jié)果的準確性，得到規(guī)劃場區(qū)的整體風能資源情況。馮長青等[4]對WT 與WAsP的適用性進行了研究，選擇3個復(fù)雜地形的風電場進行計算和對比，計算結(jié)果顯示W(wǎng)AsP對風電場風資源評價過高，WT對復(fù)雜地形的風資源計算結(jié)果更貼近實測值，偏差較小，對風電場的發(fā)電量預(yù)測具有更好的參考性。國內(nèi)學(xué)者和工程人員利用WT對河谷[5]、山區(qū)[6]等復(fù)雜地形的風資源評估和微觀選址進行研究，證實了WT能更準確反映山地、河谷等復(fù)雜地形的風能資源情況和更有助于開展風電場的設(shè)計優(yōu)化工作。

本文基于計算流體力學(xué)（CFD）方法，提出WT與WindPRO相結(jié)合的新方法，對復(fù)雜地形風電場進行風能資源分析和微觀選址研究，并以東至山地風電場的完整年測風數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展實際工作。

1 計算方法和流程

WT進行風資源分析時，使用的計算流體力學(xué)方法是利用流體定常且不可壓縮模型[7-10] 求解邊界條件Navier-Stokes方程和連續(xù)方程來得出風電場風能資源分布網(wǎng)格。本文借助現(xiàn)有的風能資源分析軟件WT開展風能資源分析研究：第一步，輸入地形圖和粗糙度文件，輸入測風塔坐標，設(shè)定扇區(qū)數(shù)和計算精細度進行定向計算得出場區(qū)空間點的風流特征和場區(qū)的3D可視化圖譜。第二步，輸入測數(shù)據(jù)文件（包括風速、風向、標準偏差等數(shù)據(jù)）進行單塔或多塔綜合計算得到風資源網(wǎng)格圖譜[11]。第三步，輸入風電機組坐標進行理論發(fā)電量計算。

另外，WindPRO軟件能很方便地實現(xiàn)風電場優(yōu)化選址和機位排布，并且可以直接使用WT軟件定向計算得出風能資源圖譜，根據(jù)圖譜進行布機優(yōu)化導(dǎo)出風機點位，并且提供給WT軟件進行發(fā)電量計算。因此，當進行復(fù)雜山地的風電場風資源分析及微觀選址工作時，WindPRO軟件既能保證風資源分析的精確性，又能提高便利性，提高工作效率。需要說明的是，在最后進行發(fā)電量計算時，WindPRO完成微觀選址后就可計算出發(fā)電量，而再用WT計算發(fā)電量的原因是復(fù)雜地形條件下選用WT可以盡量避免軟件計算產(chǎn)生誤差，WT的發(fā)電量計算結(jié)果更精確。方法實現(xiàn)的具體流程如圖1所示，通過該方法可對復(fù)雜山地風電場進行風能資源評估與微觀選址。

整個過程需要注意的是，進行場區(qū)風資源圖譜定向計算的關(guān)鍵在于計算網(wǎng)格精度的劃分，網(wǎng)格劃分不當會影響最終的定向計算結(jié)果。若網(wǎng)格水平分辨率設(shè)置過大會影響計算精度，導(dǎo)致最后進行發(fā)電量計算時出現(xiàn)較大誤差;設(shè)置過小又會使網(wǎng)格劃分過密，雖然對發(fā)電量影響不大但會使得定向時間過長，不利于工程的實際開展。為了確保計算精度以及不使計算時間過長，水平分辨率設(shè)置范圍在20～50 m，在此精度下最后的發(fā)電量計算變化較為穩(wěn)定，誤差在1%以內(nèi)[12]?？紤]到項目的實際情況，在復(fù)雜山地且規(guī)劃區(qū)域不大、計算時間限制較小的情況下，水平分辨率可以設(shè)置較小，在20～30 m即可。同時，在生成網(wǎng)格的過程中，可以對想提高計算精度區(qū)域（如地形復(fù)雜或主風向區(qū)域）定義結(jié)果點，應(yīng)用最小水平分辨率進行網(wǎng)格加密，確保區(qū)域準確度，不同密度的網(wǎng)格示意如圖2所示。

布機方面，首先可以在WindPRO上進行基于發(fā)電量最大化的軟件自動最優(yōu)排布，然后根據(jù)項目限制因素進行人工手動調(diào)整機位，保證機組點位布置在場區(qū)范圍內(nèi)風資源豐富區(qū)域。以上方法的具體過程通過下文風能資源評估和微觀選址兩大部分展示。

2 風能資源評估

場區(qū)的風能資源評估的主要步驟有：分析場區(qū)概況、處理測風數(shù)據(jù)（風向、風速、風功率密度、湍流強度等關(guān)鍵參數(shù)分析）、場區(qū)風資源圖譜分析。

2.1 風電場場區(qū)概況

該風電場位面積約10 260 hm2，場區(qū)地處山地丘陵區(qū)，地形復(fù)雜，山脈基本呈南北走向，海拔高程在150～430 m。風場范圍內(nèi)有村莊、農(nóng)田和林地分布，風力發(fā)電機組建設(shè)主要利用荒山等地形復(fù)雜區(qū)域，風電場規(guī)劃區(qū)域示意如圖3所示。

2.2 風電場測風數(shù)據(jù)處理結(jié)果

風電場內(nèi)設(shè)3座測風塔，1號測風塔位于場區(qū)北側(cè)，2號測風塔位于場區(qū)西南側(cè)，3號測風塔位于場區(qū)東南側(cè)，高度均為80 m，采用NRG測風儀[13]。測風塔概況如表1所列。

結(jié)合風資源數(shù)據(jù)處理軟件Windographer，對風電場測風塔進行一個連續(xù)完整年實測數(shù)據(jù)的處理和分析，得到各項資源參數(shù)計算結(jié)果。由于擬選風機輪轂高度為90 m，因此在Windographer軟件上推測各塔90 m高度風速與風功率密度。對風能資源初步評價如下：

（1） 80 m高度，3座測風塔年平均風速為5.44，5.64，5.39 m/s，風功率密度為159，188，170 W/m2;

90 m高度，年平均風速為5.54，5.74，5.51 m/s，風功率密度為166，198，182 W/m2。風功率密度等級為1級，具有一定的風電開發(fā)價值[14]。

（2） 各測風塔平均風速變化波動較小，在

5～6 m/s之間，8月平均風速、風功率密度最小。1號測風塔2，7，9，11月風功率密度相對較大;2，3號測風塔9～10月風功率密度相對較大[15]。平均風速、風功率密度年變化情況如圖4～5所示。

日變化趨勢也基本一致，通常在10：00～16：00時，風速較小，風功率密度較低，在12：00，風速、風功率密度最低;在22：00～23：00，風速較大，風功率密度也較大。平均風速、風功率密度日變化情況如圖6～7所示。

（3） 各測風塔實測風速在1.5～12.5 m/s區(qū)間最集中，占80%以上，風能可利用風速區(qū)間大，風能質(zhì)量較好，風速頻率密度分布如圖8所示。

（4） 各測風塔主導(dǎo)風向均為N～ENE及S，主導(dǎo)風能方向均為N～ENE及S，且比較集中，有利于風電場開發(fā)和建設(shè)，風電場風向玫瑰圖如圖9所示。

（5） 1，2，3號測風塔10～80 m高度的湍流強度隨高度增加而減小。各測風塔在80 m高度，15±0.5 m/s風速區(qū)間，平均湍流強度分別為0.074，0.105，0.135。NRG測風儀導(dǎo)出數(shù)據(jù)中有10 min平均風速V和10 min風速標準偏差σ。GB/T 18710-2002《風電場風能資源評估方法》中10 min湍流強度計算公式為

IT=σV （1）

式中：IT為湍流強度;

σ為10 min風速標準偏差，m/s;

V為10 min平均風速，m/s。

通過上式可求得相應(yīng)區(qū)間的湍流強度。標準空氣密度下1，2，3號測風塔90 m高度在50 a一遇最大風速分別為35.5，35.8，35.4 m/s。根據(jù)IEC 61400-1風電機組等級基本參數(shù)表[16]，1，2號測風塔所輻射的區(qū)域可以選用IEC ⅢC類及以上等級風電機組，3號測風塔所輻射的區(qū)域可以選用IEC ⅢB類及以上等級風電機組。

2.3 場區(qū)風資源圖譜計算分析

在已經(jīng)取得的測風數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用WT軟件對風電場風資源分布情況進行分析計算。網(wǎng)格劃分方式為等步長25 m，水平分辨率25 m，垂直分辨率5 m，不進行特定區(qū)域網(wǎng)格加密。輸入地形圖（實測1∶2 000與1∶10 000地形圖拼接）和粗糙度文件（WT自帶地理信息數(shù)據(jù)庫ESA_10arcsec_China粗糙度文件）定向計算，得到風能資源分布如圖10～11所示。

圖中橙黃色為風能資源較好的區(qū)域，風速區(qū)間為4.7～6.6 m/s;藍紫色表示風能資源較差的區(qū)域，風速在2.8 m/s以下;總體來看，地勢較高的區(qū)域風能資源較豐富。

3 微觀選址

風電場的微觀選址工作，包括風電機組選型、擬定機組布機方案以及風電場發(fā)電量計算并進行經(jīng)濟性比較，確定最終布機方案。

3.1 機組選型

為了更好地與實際風電場產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益，機組選型應(yīng)適應(yīng)各風機點位的分布特性和滿足并網(wǎng)要求。根據(jù)風電場區(qū)風能資源分布情況，場區(qū)內(nèi)適宜布置風機的區(qū)域有限，單機容量較大的機型更符合選型要求。2 000～2 500 kW級的風電機組國產(chǎn)化程度高，技術(shù)成熟，許多具備了低電壓穿越功能，變槳距控制技術(shù)也很成熟，機組成本和建設(shè)投資適中[17]。因此，機型的單機容量選擇主要考慮輪轂高度為90 m 的2 000～2 500 kW級機組。

根據(jù)以上分析和該風電場的工程特性，初步選擇了4 個輪轂高度為90 m，不同型號的風電機組：WTG1、WTG2、WTG3、WTG4。直驅(qū)型機組為WTG1（2 000 kW）和WTG4（2 500 kW）;雙饋型機組為WTG2（2 000 kW）和WTG3（2200 kW），各風電機組功率曲線如圖12所示。

通過功率曲線對比可知，單機容量為2 000 kW的WTG1機組在3～6 m/s低風速段功率曲線性能較好，根據(jù)測風數(shù)據(jù)可知風電場年平均風速集中在5～6 m/s，機組發(fā)電特性與風場適應(yīng)度較高，WTG4切出風速較高。

3.2 機組布機方案

機組的布機利用WindPRO軟件計算風能資源圖譜并且進行相關(guān)布機操作。

該項目規(guī)劃裝機容量150 MW，風能資源分布情況和具體地形條件是布機的依據(jù)。布機時，在風電機組垂直于主導(dǎo)風能方向上按照機組行距、列距間隔分別為5～9倍風輪直徑和3～5倍風輪直徑的要求進行布機，其目的是兼顧單機發(fā)電量和風電機組間的相互影響。最終擬定3種風電機組布置方案：即布置75臺單機容量2 000 kW風電機組的方案：68臺單機容量2 200 kW風電機組的方案;60臺單機容量2 500 kW風電機組的方案，分別如圖13～15所示。

3.3 發(fā)電量計算與經(jīng)濟性比較

在WindPRO軟件上導(dǎo)出3種布機方案的風機坐標后，利用WT軟件進行發(fā)電量計算，得到各機型的發(fā)電量。在進行發(fā)電量計算的工程中，考慮尾流損失算得年理論上網(wǎng)電量，然后考慮實際運行中的能量損失[18]（尾流、空氣密度、控制和湍流、軟件計算誤差等）得出綜合折減系數(shù)為0.752，從而算得年實際上網(wǎng)電量和年等效利用小時數(shù)，最后進行各方案經(jīng)濟性比較，詳細比較如表2所列。

在進行發(fā)電量計算的工作中，對上文假設(shè)“WindPRO軟件發(fā)電量計算結(jié)果較高”進行驗證。利用WindPRO軟件計算風電場發(fā)電量，結(jié)果如表3所列。

通過對比可得，WindPRO的計算結(jié)果較WT計算所得發(fā)電量高。當發(fā)電量評價過高且待建設(shè)的風電場達不到預(yù)期發(fā)電量時，會給工程項目帶來非常大的經(jīng)濟損失。因此，本文所選擇的工程實例分析以WT的計算結(jié)果為參考。

WT計算結(jié)果中，WTG1機型方案年上網(wǎng)電量最高，說明其在該低風速型風電場對風能的捕獲性能較好，更適合該風電場。從單位度電成本來看，WTG1機型單位度電投資最低，技術(shù)經(jīng)濟排序第1。

因此，推薦選用WTG1機型方案，風電場共布置75臺單機容量2 000 kW、葉輪直徑121 m、輪轂高度90 m的WTG1型風電機組，風電場年上網(wǎng)電量為29 190萬kW·h，布機方案即為75臺2 000 kW機組布置方案。

4 結(jié) 語

本文以安徽省東至復(fù)雜地形山地風電場為實例，對提出的WT、WindPRO軟件聯(lián)合使用進行復(fù)雜地形山地風能資源評估和微觀選擇方法展開具體研究。該方法對實際的工程設(shè)計工作效果很好，并且工作量不大，計算結(jié)果合乎實際情況，簡單易行。本文提出的新方法主要在以下兩方面展開應(yīng)用。

（1） 風能資源評估方面。對風電場場區(qū)概況進行了客觀的分析，并結(jié)合收集到的測風數(shù)據(jù)進行風能資源初步評價之后，利用WT軟件進行場區(qū)風資源計算，得到合理的場區(qū)風資源圖譜。

（2） 微觀選址方面。依照得到的風資源圖譜在WindPRO軟件上對備選機型擬定3種布機方案;最后通過WT軟件對各方案的發(fā)電量計算和經(jīng)濟性比較，確定了適合該風電場的風電機組型號和布機方案，為實際建設(shè)提供參考。

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（編輯：劉 媛）

Wind energy assessment and micrositing on wind farm based on WT and WindPRO

HUANG Quankai1，2，LU Chengzhi 2，LIU Yongsheng1，ZHAO Zhangle2，MA Dong2

（1.Institute of Solar Energy，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China; 2.Huadian Electric Power Research Institute Co.，Ltd，Hangzhou 310030，China）

Abstract：

In order to improve the economics during the construction and operation of wind farms of complex terrain，it is necessary to conduct research on wind energy resource assessment and micrositing.Taking the Dongzhi wind farm project in Anhui Province as an example，based on the computational fluid dynamics method，a new method using the combination of WT and WindPRO two professional software of wind resource is proposed.Based on the complete annual wind measurement data of the three wind measurement towers in the field，the wind energy resource evaluation，wind energy resource map drawing，power generation calculation and economic comparison are completed，and the wind turbines possessing superior performance and economic efficiency are selected.The results show that：①The wind energy resource map calculated by WT is accurate，and the final power generation calculation result is closer to reality than WindPRO′s results;②WindPRO has good advantages in wind turbines micrositing and layout scheme，it provides good wind turbine coordinates for WT′s power generation calculation.The research results can provide references for actual engineering design work.

Key words：

wind energy resource assessment;micrositing;WT;WindPRO;complex terrain