風(fēng)電場微觀選址技術(shù)研究

文 | 徐棟，潘家國，趙令金，張先儒

風(fēng)電場微觀選址技術(shù)研究

文 | 徐棟，潘家國，趙令金，張先儒

風(fēng)電場微觀選址即風(fēng)電機(jī)組位置的選址，是風(fēng)電場施工階段的重要環(huán)節(jié)。針對風(fēng)電場場址不同區(qū)域的地形條件，通過分析場區(qū)風(fēng)能資源特征、多種風(fēng)電機(jī)組布置方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，確定合理的風(fēng)電機(jī)組排布方式，不僅要使風(fēng)電場具有較好的發(fā)電量，而且要盡可能的減少建設(shè)投資。本文根據(jù)微觀選址前所需搜集的資料、微觀選址方案制定、選址過程遵循的原則和需注意的問題等，結(jié)合工程實(shí)例，對風(fēng)電場微觀選址工作進(jìn)行了探討，為風(fēng)電勘測設(shè)計(jì)工作提供了依據(jù)。

資料搜集

形圖，地形圖除反映必要的地形、地貌、位置和高程信息外，還需要反映場區(qū)內(nèi)居民點(diǎn)分布、植被和耕地覆蓋、道路、輸電線路、油井、石油和天燃?xì)夤芫€、文物、軍用設(shè)備等信息，如場址位于不同行政區(qū)劃邊界，還應(yīng)反映兩省（市、縣）的界線。

（5）風(fēng)電場區(qū)域壓覆礦產(chǎn)情況，如擬建風(fēng)電場壓覆礦產(chǎn)資源，則需要國土部門出具的安全距離說明。

（6）風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)的其他規(guī)劃用地范圍。

（7）風(fēng)電場區(qū)域的爭議用地，并需要項(xiàng)目業(yè)主落實(shí)其可用性。

（8）風(fēng)電機(jī)組機(jī)型參數(shù)及當(dāng)?shù)乜諝饷芏认鹿β是€、推力系數(shù)。

現(xiàn)場微觀選址前需要搜集資料，制定微觀選址方案。這些資料主要包括以下內(nèi)容：

（1）風(fēng)電項(xiàng)目審定后的可行性研究報(bào)告。

（2）風(fēng)電場內(nèi)部或附近測風(fēng)塔至少一年的測風(fēng)數(shù)據(jù)，測風(fēng)數(shù)據(jù)完整率需滿足90%以上。

（3）參證氣象站情況，包括氣象站建站時(shí)間、站址變更歷史記錄、站址周圍建筑物和植被的重要變遷記錄、氣象站測風(fēng)由人工記錄變?yōu)樽詣?dòng)觀測的時(shí)間以及平行觀測記錄；參證氣象站氣象資料，主要包括近30年年平均風(fēng)速、年最大風(fēng)速、與測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)同期的逐小時(shí)平均風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。

（4）風(fēng)電場區(qū)域1∶2000實(shí)測地

微觀選址方案制定

根據(jù)搜集到的資料，首先要進(jìn)行區(qū)域風(fēng)能資源評估，在地形圖上進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組布置，制定微觀選址方案。

一、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)及風(fēng)能資源評估

（一）測風(fēng)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

測風(fēng)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)需要按照《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》（GB/T18710－2002）的規(guī)定進(jìn)行。在處理測風(fēng)數(shù)據(jù)時(shí)會遇到一些特殊情況，例如靜風(fēng)情況、測風(fēng)儀遭凍結(jié)、某高度的風(fēng)速儀或風(fēng)向儀損壞等，需要進(jìn)行原因分析和處理。

（1）靜風(fēng)是指平均風(fēng)速小于0.5m/s的情況。此時(shí)，測風(fēng)資料中顯示在某時(shí)段內(nèi)多個(gè)高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)均為0.4m/s，但在該時(shí)段的上下時(shí)段風(fēng)速均表現(xiàn)正常，并且風(fēng)向在該時(shí)段內(nèi)幾乎無變化，這種情況下多為靜風(fēng)狀況。靜風(fēng)并不代表無風(fēng)，只是實(shí)際風(fēng)速小于測風(fēng)儀的最小閾值，顯示風(fēng)速為0.4m/s，這種情況屬于正常狀態(tài)，一般持續(xù)時(shí)間較短，不需要處理。

（2）我國北方和西南的某些地區(qū)，冬季在降水之后由于氣溫較低，會將風(fēng)速或風(fēng)向儀凍結(jié)，測風(fēng)資料中顯示某時(shí)段內(nèi)某高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)均為0.4m/s，或風(fēng)向保持某一值不變，而同時(shí)段的其他高度以及其他時(shí)段內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向均正常，此時(shí)對應(yīng)時(shí)段的氣溫值處于0℃以下。這種情況下，需要將遭凍結(jié)的某高度風(fēng)速數(shù)據(jù)與其他未遭凍結(jié)高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)做相關(guān)分析，并進(jìn)行插補(bǔ)。

（3）測風(fēng)塔某高度的風(fēng)速儀在大風(fēng)或其他情況下會損壞，表現(xiàn)為某高度風(fēng)速數(shù)據(jù)在相當(dāng)長時(shí)段內(nèi)顯示0.4 m/s，或者從某時(shí)刻開始某高度的風(fēng)速出現(xiàn)小于其下面高度的風(fēng)速，其他高度風(fēng)速和風(fēng)向均正常。這種情況下，需要利用相鄰高度風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。

（二）風(fēng)能資源評估

微觀選址在可行性研究階段之后，風(fēng)電場區(qū)域的場址、測風(fēng)數(shù)據(jù)等均有可能發(fā)生變化，因此，該階段的風(fēng)能資源評估十分必要。

風(fēng)能資源評估的主要內(nèi)容與可行性研究階段基本一致，主要包括風(fēng)電場場址的空氣密度、預(yù)裝輪轂高度代表年平均風(fēng)速和風(fēng)功率密度、風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)向和風(fēng)能方向頻率分布、各風(fēng)速段風(fēng)速和風(fēng)功率密度頻率分布、風(fēng)速和風(fēng)功率密度的年內(nèi)變化和日變化、風(fēng)切變指數(shù)、湍流強(qiáng)度、50年一遇最大風(fēng)速等。

二、微觀選址方案制定原則

根據(jù)風(fēng)能資源評估結(jié)論，首先需要制定合理的微觀選址方案，并應(yīng)遵循以下原則：

（1）盡可能布置在風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)能資源較好、發(fā)電量大的位置，使其能夠充分利用風(fēng)能資源發(fā)電。

（2）平坦地形條件下，采用規(guī)則排布，根據(jù)風(fēng)電場主風(fēng)向、主風(fēng)能方向確定合理的風(fēng)電機(jī)組排布方向和間距；復(fù)雜地形條件下，風(fēng)電機(jī)組排布不規(guī)則，還需要結(jié)合地形走向，確定合理的風(fēng)電機(jī)組排布間距。應(yīng)盡可能減小風(fēng)電機(jī)組間尾流影響，增加發(fā)電量，并使風(fēng)電機(jī)組布置較為集中。

（3）綜合考慮風(fēng)電場的設(shè)備運(yùn)輸、電氣、施工安裝條件，力求電力電纜長度最短，運(yùn)輸和安裝方便，盡量減少風(fēng)電場配套工程投資。

（4）盡可能利用已開發(fā)的土地或荒地，不占用或少占用林地、耕地，避免對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

（5）盡可能遠(yuǎn)離居民點(diǎn)，避免建成后風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行噪音等對當(dāng)?shù)鼐用裆钤斐捎绊憽?/p>

（6）盡可能遠(yuǎn)離高壓輸電線、石油和天然氣管線、高等級公路、礦產(chǎn)資源壓覆區(qū)等，避免在風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)行過程中產(chǎn)生影響和引發(fā)事故。

（7）盡可能遠(yuǎn)離重點(diǎn)文物保護(hù)區(qū)、民用和軍用設(shè)施，避免風(fēng)電場建設(shè)過程中產(chǎn)生的損壞和干擾。

現(xiàn)場微觀選址

依據(jù)制定的微觀選址方案進(jìn)行現(xiàn)場微觀選址。以下將總結(jié)現(xiàn)場微觀選址過程中需要注意的問題。

（1）為了使風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲不影響居民的正常生活，風(fēng)電機(jī)組布置與居民點(diǎn)之間應(yīng)保持一定的距離?！讹L(fēng)電場噪聲限值及測量方法》中規(guī)定，鄉(xiāng)村中居民住宅等需保持安靜的地方，噪聲限值為夜間45dB，白天55dB，夜間噪聲排放最大聲級不超過限制的15dB。有研究表明，現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的聲功率級在100dB－106dB之間。按照點(diǎn)聲源衰減公式計(jì)算，風(fēng)電機(jī)組與居民點(diǎn)的水平距離應(yīng)不小于350m。

（2）某些風(fēng)電場內(nèi)會有石油或天然氣管線穿越，按照《石油和天然氣管道保護(hù)法》的規(guī)定，在管道兩側(cè)修建構(gòu)筑物的與管道距離應(yīng)符合國家技術(shù)規(guī)范強(qiáng)制要求。因此，在遇到某些機(jī)位附近有管線分布的情況，應(yīng)與管道企業(yè)落實(shí)安全距離。

（3）如遇到風(fēng)電機(jī)組周邊有高壓線的情況，需要參照《電力設(shè)施保護(hù)條例實(shí)施細(xì)則》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行避讓。按細(xì)則規(guī)定，常見的35kV、110kV等級的電壓導(dǎo)線邊線在計(jì)算導(dǎo)線最大風(fēng)偏情況下，距建筑物的水平安全距離分別為3m、4m，并且桿塔周邊分別在5m和10m的范圍內(nèi)不得開挖、鉆探。《風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了風(fēng)電機(jī)組與架空線路安全距離應(yīng)滿足風(fēng)電機(jī)組吊裝、維護(hù)以及正常運(yùn)行時(shí)不影響線路運(yùn)行。因此安全距離需結(jié)合細(xì)則和規(guī)范的規(guī)定以及風(fēng)電機(jī)組塔筒高度和葉片長度確定。

（4）對于風(fēng)電場內(nèi)公路的避讓的情況，需參照《公路安全保護(hù)條例》的規(guī)定，即高速公路、國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道建筑控制區(qū)的范圍從公路用地外緣起向外的距離標(biāo)準(zhǔn)分別不小于30m、20m、15m、10m、5m。同時(shí)安全距離還需要結(jié)合風(fēng)電機(jī)組塔筒高度和葉片長度考慮。

（5）如遇到文物保護(hù)區(qū)、壓覆礦產(chǎn)區(qū)域、軍事保護(hù)區(qū)等情況，則需要與相關(guān)部門協(xié)商落實(shí)其與機(jī)位應(yīng)控制的距離。

現(xiàn)場選址過程中如遇到以上不滿足條件的機(jī)位，則需要進(jìn)行局部移動(dòng)，移動(dòng)的方向和距離需要結(jié)合與周邊機(jī)位的距離、方位以及主風(fēng)向、主風(fēng)能方向，保證機(jī)位移動(dòng)后相互之間的尾流影響和湍流強(qiáng)度都處在合理范圍內(nèi)。

微觀選址成果復(fù)核

通常在微觀選址過程中會設(shè)置多個(gè)備用機(jī)位，以備某些機(jī)位因不能使用而作為替換。在復(fù)核過程中還需要對備用機(jī)位的建設(shè)條件、發(fā)電量、配套投資等進(jìn)行綜合比較，選擇最優(yōu)的機(jī)位作為推薦方案。

針對最終的推薦方案，需要復(fù)核計(jì)算各機(jī)組的尾流影響、發(fā)電量、湍流強(qiáng)度等，確定在所選擇的機(jī)位上風(fēng)電機(jī)組性能能夠充分的體現(xiàn)，滿足機(jī)組安全等級要求，并提出風(fēng)電場評估發(fā)電量。復(fù)核計(jì)算的過程中應(yīng)采用多種計(jì)算軟件，如WAsP、WindPro、WindFarmer、WT、WindSim等目前主流計(jì)算軟件，依不同的地形條件選用，對復(fù)核結(jié)果進(jìn)行比較，總結(jié)其共同規(guī)律，并選取合適的推薦結(jié)論。

工程實(shí)例

一、平坦地形條件

平坦地形條件下，風(fēng)能資源分布較為均一，若盛行風(fēng)向穩(wěn)定，主風(fēng)向和主風(fēng)能方向明確而較為單一，風(fēng)電機(jī)組采用規(guī)則排布為宜。不僅可以有效的控制尾流影響，很大程度的減少集電線路、道路等配套投資，而且排布整齊、美觀。

本文以西部某風(fēng)電場為例，說明平坦地形條件下的微觀選址過程。該風(fēng)電場位于戈壁荒灘，地形平坦開闊，裝機(jī)容量200MW，安裝100臺MY103/2000kW－80m型風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電場風(fēng)能玫瑰圖如圖1所示。由圖1可見，該風(fēng)電場主風(fēng)能方向?yàn)槲鳎╓），單一且明確。因此本風(fēng)電場在制定微觀選址方案時(shí)，風(fēng)電機(jī)組排布應(yīng)垂直于西（W）風(fēng)，并使后排風(fēng)電機(jī)組位于前排兩臺風(fēng)電機(jī)組之間。為了保證風(fēng)電機(jī)組間湍流強(qiáng)度值處于安全范圍，垂直于主風(fēng)能方向上同列內(nèi)風(fēng)電機(jī)組間距一般應(yīng)不小于4D，同時(shí)為了減少上下游風(fēng)電機(jī)組間的尾流影響，平行于主風(fēng)能方向上風(fēng)電機(jī)組間距一般應(yīng)不小于9D。為了進(jìn)一步減小風(fēng)電機(jī)組間尾流影響，增加風(fēng)速恢復(fù)距離，可適當(dāng)拉大個(gè)別列之間的距離。經(jīng)過各種方案比較，最終確定，本風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組排布分5列，同列內(nèi)風(fēng)電機(jī)組間距為4D，平行于主風(fēng)能方向各列距離相等時(shí)，年上網(wǎng)電量最大，尾流影響最小。風(fēng)電機(jī)組布置如圖2所示。

由于風(fēng)電場位于戈壁灘地，地形較為平坦，大部分初選機(jī)位均可以使用，現(xiàn)場微觀選址過程中僅對部分位于行洪區(qū)內(nèi)的機(jī)位進(jìn)行了局部移動(dòng)，部分機(jī)位在施工過程中做防洪處理即可。

二、山地、丘陵地形條件

山地、丘陵地形條件下，風(fēng)能資源分布差異較大，需要根據(jù)地形和風(fēng)能資源文件對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化布置。

本文以甘肅東部某風(fēng)電場為例，說明山地、丘陵地形條件下的微觀選址過程。該風(fēng)電場位于低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，裝機(jī)容量50MW，安裝25臺W105/2000kW－80m型風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電場風(fēng)能玫瑰圖如圖3所示，由圖可見，風(fēng)電場主風(fēng)能方向?yàn)槟希⊿）、東南（SE）、南東南（SSE）。由于風(fēng)電場有多個(gè)主風(fēng)能方向，風(fēng)機(jī)優(yōu)化布置過程中，主風(fēng)能方向間距應(yīng)不小于6D，垂直主風(fēng)能方向間距不小于4D。設(shè)計(jì)過程中，設(shè)置了多種風(fēng)電機(jī)組間距進(jìn)行優(yōu)化布置，最終選擇發(fā)電量較大、尾流影響處于可控范圍、布置較為集中的方案作為推薦方案。對附近存在居民點(diǎn)、輸電線等敏感點(diǎn)的機(jī)位進(jìn)行了避讓，調(diào)整后的推薦方案風(fēng)電機(jī)組布置見圖4。在推薦方案中，發(fā)電量較大、施工條件較好的33臺風(fēng)電機(jī)組機(jī)位作為首選機(jī)位；發(fā)電量較小、施工條件有一定難度的5臺風(fēng)電機(jī)組機(jī)位作為備選機(jī)位。

現(xiàn)場微觀選址過程中，將不滿足條件的機(jī)位予以棄用，部分機(jī)位視現(xiàn)場情況進(jìn)行了局部調(diào)整。最終確定微觀選址后風(fēng)電機(jī)組布置如圖5所示。

微觀選址后，利用WindFarmer、WindSim軟件進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，得出風(fēng)電場理論發(fā)電量和尾流影響后發(fā)電量，并考慮綜合折減，最終得出上網(wǎng)電量。經(jīng)復(fù)核，各機(jī)位湍流強(qiáng)度、50年一遇最大風(fēng)速等滿足設(shè)計(jì)要求，年上網(wǎng)電量和尾流影響見表1。

WindFarmer和 WindSim軟件的計(jì)算結(jié)果相近，但略有差別，針對每個(gè)地區(qū)，每種軟件有一定的適用性。設(shè)計(jì)利用兩種軟件對風(fēng)電場場址內(nèi)的兩座測風(fēng)塔的風(fēng)速進(jìn)行了互相推算，結(jié)果表明，在該風(fēng)電場采用WindFarmer軟件計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)測風(fēng)速更為接近。因此設(shè)計(jì)最終采用WindFarmer軟件的計(jì)算結(jié)論。

圖1 西部某風(fēng)電場風(fēng)能玫瑰圖

圖2 西部某風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組布置圖

圖3 甘肅東部某風(fēng)電場風(fēng)能玫瑰圖

圖4 甘肅東部某風(fēng)電場微觀選址方案風(fēng)電機(jī)組布置

圖5 甘肅東部某風(fēng)電場微觀選址最終風(fēng)電機(jī)組布置

表1 微觀選址后最終方案復(fù)核結(jié)果

結(jié)論

（1）前期收集的資料是編制微觀選址設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)，務(wù)必要全面、詳細(xì)。測風(fēng)數(shù)據(jù)處理過程不僅要嚴(yán)格按照《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》的相關(guān)規(guī)定，還需要分析某些特殊情況下的數(shù)據(jù)異常原因及其處理方法。

（2）應(yīng)根據(jù)平坦地形和相對復(fù)雜的丘陵、山地地形，分別制定合適的風(fēng)電機(jī)組布置方案。通過風(fēng)能資源評估結(jié)論和地形特征確定風(fēng)電機(jī)組排布方向，并通過設(shè)置不同的風(fēng)電機(jī)組排布間距擬定多種布置方案，最終選取發(fā)電量較高、布置集中、投資較少的方案作為推薦方案。

（3）石油和天然氣管線、高壓線等敏感地物的避讓應(yīng)遵照相關(guān)的法律法規(guī)規(guī)定，保持足夠的安全距離，通過實(shí)測地形圖避讓和現(xiàn)場確認(rèn)來實(shí)現(xiàn)。

（4）微觀選址成果需要依據(jù)不同地形選擇適用的評估軟件進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，確認(rèn)初選機(jī)位的湍流強(qiáng)度、50年一遇最大風(fēng)速等符合安全等級要求，尾流影響合理可控，并推薦風(fēng)電場年上網(wǎng)電量估算結(jié)果。

（作者單位：徐棟：中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司；潘家國、趙令金：國投白銀風(fēng)電有限公司；張先儒：國投哈密風(fēng)電有限公司）