雷 鳴，趙 青，程施霖，趙文武

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2.華能新能源股份有限公司遼寧分公司，沈陽 110000)

0 引言

2020年9月，中國明確提出2030年碳達(dá)峰與2060年碳中和的目標(biāo)。2022年6月，科技部、國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部等9部門印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案(2022—2030年)》(國科發(fā)社[2022]157號)，統(tǒng)籌提出支撐2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的科技創(chuàng)新行動和保障舉措，并為2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)做好技術(shù)研發(fā)儲備。2020年北京國際風(fēng)能大會(CWP 2020)上，來自全球400余家風(fēng)能企業(yè)的代表一致通過《風(fēng)能北京宣言》(下文簡稱《宣言》)。該《宣言》提出2025年后，中國風(fēng)電年均新增裝機(jī)容量應(yīng)不低于6000萬kW，2030年累計(jì)裝機(jī)容量至少達(dá)到8億kW，2060年累計(jì)裝機(jī)容量至少達(dá)到30億kW。

中國早期的風(fēng)電技術(shù)不成熟，部分運(yùn)行多年的老舊風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)差、存在安全隱患，部分風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行故障頻發(fā)導(dǎo)致其可利用效率低，還有部分風(fēng)電機(jī)組由于機(jī)型與該機(jī)位處的風(fēng)能資源條件不匹配導(dǎo)致發(fā)電效率低。這些故障率高、效率低的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)嚴(yán)重影響風(fēng)電項(xiàng)目的整體經(jīng)濟(jì)效益。

“上大壓小”是風(fēng)電項(xiàng)目進(jìn)行等容或擴(kuò)容改造升級時常采用的一種方式，通常是指拆除風(fēng)電場中單機(jī)容量小且發(fā)電效率低的風(fēng)電機(jī)組，并在已拆除風(fēng)電機(jī)組的機(jī)位中選擇風(fēng)能資源條件較好的機(jī)位安裝大單機(jī)容量的高效風(fēng)電機(jī)組。

2021年12月，國家能源局綜合司發(fā)布《風(fēng)電場改造升級和退役管理辦法》(征求意見稿)，鼓勵并網(wǎng)運(yùn)行超過15年的風(fēng)電場進(jìn)行改造升級和風(fēng)電機(jī)組退役。

截至2021年底，中國現(xiàn)有在役風(fēng)電機(jī)組超過14萬臺。其中，容量在0.85～1.50 MW的風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量超過5萬臺。根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會能源研究所的測算，在2021—2030年期間，全國改造和退役風(fēng)電機(jī)組的累計(jì)容量將超過6000萬kW。由此可見，未來10年風(fēng)電場的改造升級需求巨大。

通常，在擬進(jìn)行技改的風(fēng)電場中，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量大多數(shù)小于1.5 MW且風(fēng)輪直徑小于90 m；而目前主流的陸上風(fēng)電場采用的風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量在3.0～6.0 MW之間，風(fēng)輪直徑在160～200 m之間。因此，在對此類需要改造的風(fēng)電場進(jìn)行設(shè)計(jì)時，風(fēng)電機(jī)組的布局是主要需要考慮的問題，其中需分析的因素包括新風(fēng)電機(jī)組間的安全距離，以及機(jī)位處的風(fēng)速、湍流、入流角、尾流等。

本文以建設(shè)在復(fù)雜地形的風(fēng)電場為例，針對采用“上大壓小”方式對風(fēng)電場改造時，風(fēng)電機(jī)組的布局問題進(jìn)行分析，通過Meteodyn WT軟件解析Navier-stokes方程，仿真復(fù)雜地形條件下風(fēng)流的運(yùn)動，再結(jié)合OpenWind軟件優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的布局，并與人工手動布局結(jié)果進(jìn)行對比。

1 軟件介紹

OpenWind軟件是一款由AWS Truepower公司開發(fā)的開源的風(fēng)電場設(shè)計(jì)軟件。該軟件可將地理信息和風(fēng)能資源模型信息相結(jié)合，可通過設(shè)置禁忌區(qū)域和可用區(qū)域從而對風(fēng)電機(jī)組的布局進(jìn)行約束。其使用Mass-consistent模型來仿真整個風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)能資源狀況。

Mass-consistent模型是基于質(zhì)量守恒方程的一種線性數(shù)學(xué)模型[1]，由于此種模型不包括動力學(xué)方程N(yùn)avier-stokes，導(dǎo)致其不能很好地模擬復(fù)雜地形下的風(fēng)能資源條件。采用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)方法進(jìn)行空間風(fēng)流模擬，從而求解Navier-stokes方程，該模型更適用于復(fù)雜地形風(fēng)電場[2]。因此，通過Meteodyn WT軟件解析Navier-stokes方程，然后OpenWind軟件利用Meteodyn WT軟件繪制的風(fēng)功率及風(fēng)速圖譜進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算。OpenWind軟件計(jì)算風(fēng)電場發(fā)電量E的公式[1]為：

式中：θ為風(fēng)向；n為風(fēng)電機(jī)組編號；P(θ)為該風(fēng)向上的風(fēng)向頻率；βi(v)為第i臺風(fēng)電機(jī)組對應(yīng)風(fēng)速v下的發(fā)電量；p(v(θ),ci(θ,X,Y),k(θ))為在風(fēng)向θ上，當(dāng)比例參數(shù)為ci(θ,X,Y)、風(fēng)速為v(θ)、形態(tài)參數(shù)為k(θ)時的概率。

Meteodyn WT軟件是法國美迪公司(Meteodyn)基于CFD開發(fā)的風(fēng)能測算軟件。該軟件基于Migal-Solver求解器解析Navier-stokes方程，仿真復(fù)雜地形條件下的風(fēng)流運(yùn)動，可以很好地模擬流體狀態(tài)。Meteodyn WT軟件主要用到的理論方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、雷諾應(yīng)力方程。

2 案例背景

本文以位于遼寧省阜新市東北部的某個風(fēng)電場為例進(jìn)行分析。該風(fēng)電場占地面積約為203 km2；場址高程范圍在170～310 m之間，場址內(nèi)局部地形的高程起伏變化較大，場址內(nèi)部分區(qū)域?yàn)榈蜕角鹆?，部分區(qū)域?yàn)槠教沟匦?；場址區(qū)域的構(gòu)造穩(wěn)定，不存在導(dǎo)致場地整體滑移的斷裂、震陷及區(qū)域地面沉降等重大不良地質(zhì)作用。

該風(fēng)電場共安裝有267臺型號為SL1500/82 m的風(fēng)電機(jī)組，項(xiàng)目總裝機(jī)容量為400 MW。該風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組已服役15年。根據(jù)本風(fēng)電場近5年(2016—2020年)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其年等效滿負(fù)荷利用小時數(shù)分別為1674、1861、1851、1951、1988 h，如圖1所示，低于2020年遼寧地區(qū)風(fēng)電項(xiàng)目平均年等效滿負(fù)荷利用小時數(shù)(2243 h，該值為統(tǒng)計(jì)值)。

圖1 風(fēng)電場近5年的年等效滿負(fù)荷利用小時數(shù)Fig. 1 Annual equivalent full load utilization hours of wind farm in recent 5 years

目前，該風(fēng)電場所用風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)廠家已經(jīng)破產(chǎn)。雖然部分風(fēng)電機(jī)組老化嚴(yán)重，但由于備品備件采購困難，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組維修成本逐年增加。近年來，由于該風(fēng)電場更換了一些老舊且易發(fā)生故障的零部件，使該風(fēng)電場的發(fā)電量有所提高，但其年等效滿負(fù)荷利用小時數(shù)依舊低于可研估算值。2021年該風(fēng)電場267臺風(fēng)電機(jī)組實(shí)際的年等效滿負(fù)荷利用小時數(shù)如圖2所示，其中，藍(lán)色虛線為均值線。

從圖2可以看出：該風(fēng)電場整體的年等效滿負(fù)荷利用小時數(shù)較低，且各風(fēng)電機(jī)組間的年等效滿負(fù)荷利用小時數(shù)差異較大。

圖2 2021年風(fēng)電場267臺風(fēng)電機(jī)組實(shí)際的年等效滿負(fù)荷利用小時數(shù)Fig. 2 Actual annual equivalent full load utilization hours of 267 wind turbines in the wind farm in 2021

該風(fēng)電場內(nèi)分布有3座高度為70 m的測風(fēng)塔，測風(fēng)塔對風(fēng)電場代表性較好[3]。其中1#測風(fēng)塔位于風(fēng)電場西北部，2#測風(fēng)塔位于風(fēng)電場中部，3#測風(fēng)塔位于風(fēng)電場東部。3座測風(fēng)塔均配置10、30、50、70 m高度測風(fēng)儀，配置10、70 m高度風(fēng)向儀。1#測風(fēng)塔的海拔高程為227 m，測風(fēng)時段為2013年9月4日—2016年4月5日；2#測風(fēng)塔海拔高程為260 m，測風(fēng)時段為2014年1月1日—10月1日；3#測風(fēng)塔海拔高程為252 m，測風(fēng)時段為2013年9月4日—2016年2月4日。

3 難點(diǎn)解析

該基于“上大壓小”方法的風(fēng)電場改造項(xiàng)目計(jì)劃將267臺容量為1.5 MW的風(fēng)電機(jī)組全部拆除，其后在已拆除風(fēng)電機(jī)組的機(jī)位點(diǎn)中挑選出適合安裝大單機(jī)容量風(fēng)電機(jī)組的機(jī)位點(diǎn)，并在此種機(jī)位點(diǎn)安裝單機(jī)容量在4.00～6.25 MW之間的風(fēng)電機(jī)組。該改造項(xiàng)目充分利用原有集電線路并通過改造原有樁基礎(chǔ)使其滿足大容量風(fēng)電機(jī)組的承載力，從而節(jié)約改造成本，最終達(dá)到提高風(fēng)電場整體經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)[4]。

按照傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組布置思路，在不考慮風(fēng)電機(jī)組安全距離的條件下，該風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組機(jī)位點(diǎn)應(yīng)有C64267～C100267種排布組合方式。對于此種傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組布置方式，很難從中選出發(fā)電量最優(yōu)的方案，并且將各方案下得到的風(fēng)電機(jī)組機(jī)位點(diǎn)組合代入軟件計(jì)算發(fā)電量，計(jì)算過程繁瑣且耗時久，難以滿足任務(wù)時間要求。

綜上，本文結(jié)合Meteodyn WT軟件和OpenWind軟件對風(fēng)電場中的風(fēng)電機(jī)組布局進(jìn)行尋優(yōu)，從而使風(fēng)電場整體效益最佳。

4 風(fēng)電機(jī)組的布局思路

1)將測風(fēng)塔收集的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度及風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)，以及收集得到的風(fēng)電場場址地形圖及粗糙度圖譜導(dǎo)入至Meteodyn WT軟件中。

2)使用Meteodyn WT軟件對風(fēng)電場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分、大氣穩(wěn)定度設(shè)置、收斂條件設(shè)置、扇區(qū)設(shè)置，其后進(jìn)行流場建模。軟件設(shè)置的最小水平分辨率應(yīng)不大于50，最小垂直分辨率應(yīng)不小于6，模擬扇區(qū)應(yīng)不低于12個，模型的空去比應(yīng)大于90%。

3)通過Meteodyn WT軟件計(jì)算風(fēng)電場內(nèi)的湍流、入流角、風(fēng)速、風(fēng)功率密度等參數(shù)，并生成湍流圖譜、入流角圖譜、風(fēng)速圖譜及風(fēng)功率圖譜。

4)將Meteodyn WT軟件生成的湍流圖譜、入流角圖譜、風(fēng)速圖譜及風(fēng)功率圖譜在內(nèi)的文件導(dǎo)入OpenWind軟件。

5)將風(fēng)電機(jī)組的機(jī)型參數(shù)、當(dāng)?shù)乜諝饷芏认碌墓β是€、推力系數(shù)曲線輸入OpenWind軟件。

6)將風(fēng)電場內(nèi)及其周邊的民房、鐵路、架空輸電線路、公路、地面油氣管道等限制性區(qū)域的邊界數(shù)據(jù)與可用區(qū)域(已拆除老舊風(fēng)電機(jī)組的機(jī)位)的邊界數(shù)據(jù)輸入OpenWind軟件。

7)通過Openwind軟件不斷對不同組合的風(fēng)電機(jī)組布局方案進(jìn)行發(fā)電量尋優(yōu)迭代，在迭代收斂后確定最終的風(fēng)電機(jī)組布局方案。

風(fēng)電機(jī)組的布局流程圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)電機(jī)組的布局流程圖Fig. 3 Layout flow chart of wind turbines

5 案例仿真

根據(jù)1#～3#測風(fēng)塔70 m高度的測風(fēng)資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，各測風(fēng)塔的平均風(fēng)速分別為6.7、6.3和6.4 m/s，風(fēng)功率密度分別為268、250和268 W/m2。根據(jù)NB/T 31147—2018《風(fēng)電場工程風(fēng)能資源測量與評估技術(shù)規(guī)范》，判定該風(fēng)電場區(qū)域的風(fēng)功率密度等級為2級。

測風(fēng)塔的主風(fēng)向和主風(fēng)能方向，以及次主風(fēng)向和次主風(fēng)能方向均基本一致，主導(dǎo)風(fēng)向明顯，以SSW、S、NW為主。

1#～3#測風(fēng)塔的風(fēng)切變指數(shù)分別為0.212、0.245、0.219。

為減小風(fēng)電場內(nèi)各風(fēng)電機(jī)組間的尾流影響，該改造項(xiàng)目將垂直于主風(fēng)能方向的風(fēng)電機(jī)組排距設(shè)置為不小于2.5D(D為風(fēng)輪直徑)，將沿主風(fēng)能方向的風(fēng)電機(jī)組排距設(shè)置為不小于8D；水平分辨率設(shè)置為25，垂直分辨率設(shè)置為4，扇區(qū)數(shù)設(shè)置為16，收斂率設(shè)置為0.97；定向最小網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為1850萬個，最大網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為3100萬個[5]。需要說明的是，OpenWind軟件會嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)置的2.5D與8D風(fēng)電機(jī)組排距，但這可能會忽略一些垂直主風(fēng)能方向相距7.99D間距的優(yōu)選風(fēng)電機(jī)組機(jī)位。

OpenWind軟件對風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化布局的迭代計(jì)算會在5620步達(dá)到收斂，具體如圖4所示。

圖4 OpenWind軟件得到的迭代收斂圖Fig. 4 Iterative convergence diagram obtained by OpenWind software

為檢驗(yàn)OpenWind軟件自動尋優(yōu)的效果，本文以人工手動進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組布局方案作為對比組。分別將100臺4.0 MW、80臺5.0 MW及64臺6.25 MW風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行OpenWind軟件自動優(yōu)化布局與憑經(jīng)驗(yàn)人工手動布局，并進(jìn)行布局后的風(fēng)電場發(fā)電量對比。兩種布局方式得到的風(fēng)電場發(fā)電量對比如表1所示。

通過表1可以發(fā)現(xiàn)：

表1 兩種布局方式得到的風(fēng)電場發(fā)電量對比Table 1 Comparison of wind farm power generation capacity obtained by two layout modes

1)人工手動布局4.00、5.00、6.25 MW風(fēng)電機(jī)組時得到的年上網(wǎng)電量分別比OpenWind軟件自動優(yōu)化布局時得到的結(jié)果低1.08%、1.23%、1.48%。由此可見，隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增加，兩種布置方式得到的年發(fā)電量差距逐漸增大。在可選擇性更多、主觀性更強(qiáng)的條件下，人工手動布局得到的風(fēng)電場年發(fā)電量與OpenWind軟件自動優(yōu)化布局得到的結(jié)果之間存在的差異更為明顯。

2)人工手動布局4.00、5.00、6.25 MW風(fēng)電機(jī)組時得到的平均尾流分別比OpenWind軟件自動優(yōu)化布局時得到的結(jié)果低9.2%、3.8%、4.6%。由于選用相距更遠(yuǎn)的已拆除風(fēng)電機(jī)組機(jī)位有助于降低尾流，因此根據(jù)此處相關(guān)數(shù)據(jù)可知，人工手動布局時更偏向于通過選擇相距更遠(yuǎn)的已拆除風(fēng)電機(jī)組的機(jī)位來降低風(fēng)電機(jī)組的尾流影響，而OpenWind軟件自動優(yōu)化布局更側(cè)重于追求總體發(fā)電量大。

3)人工手動布局時得到的單臺風(fēng)電機(jī)組最大發(fā)電量比OpenWind軟件自動優(yōu)化布局時得到的結(jié)果分別高1.90%、1.47%、2.20%。由此可以發(fā)現(xiàn)，人工手動布局時，人的主觀意愿更傾向于將個別風(fēng)電機(jī)組布置于發(fā)電量最大處而忽略全局最優(yōu)方案。

相較于人工手動布局方案，OpenWind軟件自動優(yōu)化布局方案布置的風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)能資源較好的地方呈現(xiàn)聚集性，在風(fēng)能資源較差的地方則較為分散。而人工手動布局方案布置的風(fēng)電機(jī)組較為整齊，分布均勻且更為美觀。

6 結(jié)論

本文以建設(shè)在復(fù)雜地形的風(fēng)電場為例，針對采用“上大壓小”方式對風(fēng)電場改造時風(fēng)電機(jī)組的布局問題進(jìn)行分析，通過Meteodyn WT軟件解析Navier-stokes方程，仿真復(fù)雜地形條件下風(fēng)流的運(yùn)動，再結(jié)合OpenWind軟件優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的布局，并與人工手動布局結(jié)果進(jìn)行對比。得到以下結(jié)論：

1)人工手動布局4.00、5.00、6.25 MW風(fēng)電機(jī)組得到的年上網(wǎng)電量分別比OpenWind軟件自動優(yōu)化布局得到的結(jié)果低1.08%、1.23%、1.48%。相對于人工憑經(jīng)驗(yàn)布局，OpenWind軟件自動優(yōu)化布局的方案更注重于追求全場發(fā)電量最優(yōu)。對于可選擇性更多、主觀性更強(qiáng)的條件下，人工手動布局得到的年發(fā)電量與OpenWind軟件自動優(yōu)化布局得到的結(jié)果差異更為明顯。

2)大型風(fēng)電場的機(jī)位布置對工程師的經(jīng)驗(yàn)及水平要求更高，且方案比選用時更長。采用OpenWind軟件可以有效減少比選時長，提高工作效率。

3) OpenWind軟件對設(shè)置的2.5D與8D風(fēng)電機(jī)組排距方式會執(zhí)行嚴(yán)格，但這可能會忽略一些垂直主風(fēng)能方向相距7.99D間距的優(yōu)選風(fēng)電機(jī)組機(jī)位。

4)雖然本文中需要改造的風(fēng)電場是在已建的原有機(jī)位上進(jìn)行技改，但在OpenWind軟件設(shè)置時還是要將周邊的敏感性因素考慮在內(nèi)。這是由于早年風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑較小，原先風(fēng)電機(jī)組針對敏感性因素的避讓距離不一定能滿足現(xiàn)在大風(fēng)輪直徑機(jī)組的要求，尤其是風(fēng)電機(jī)組在避讓鐵路、高速公路、220 kV架空輸電線路等敏感性因素距離上變化明顯?，F(xiàn)階段風(fēng)電機(jī)組在避讓電力埋地電纜、埋地通信電纜、通信光纖等敏感性因素距離上較原風(fēng)電機(jī)組相差不大。