風(fēng)電場機(jī)組選型與微觀選址優(yōu)化研究

文 | 劉超 盛科 楊佳元 盧陳皓 文雯

風(fēng)電場機(jī)組選型與微觀選址優(yōu)化研究

文 | 劉超 盛科 楊佳元 盧陳皓 文雯

風(fēng)電場前期開發(fā)階段，風(fēng)電場項目開發(fā)公司將請設(shè)計單位進(jìn)行風(fēng)電場可行性研究。設(shè)計單位在獲得風(fēng)電場風(fēng)能資源數(shù)據(jù)并對風(fēng)能資源情況進(jìn)行評估后，將根據(jù)多個主機(jī)廠家的機(jī)型參數(shù)，進(jìn)行初步的經(jīng)濟(jì)性能分析和微觀選址工作。一方面通?？尚行匝芯吭缬陲L(fēng)電場主機(jī)招標(biāo)時間，風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)型式發(fā)展很快，可供選擇機(jī)型不斷增多。另一方面，可行性研究報告主要從風(fēng)電場整體考慮風(fēng)電機(jī)組安全性等級，并不會具體到機(jī)位點的安全性要求。因此可行性研究報告中的風(fēng)電場發(fā)電性能指標(biāo)通常與實際情況存在差距，布機(jī)機(jī)位點也需進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。本文在設(shè)計單位的微觀選址基礎(chǔ)上，以河南某風(fēng)電場為例，進(jìn)行更有針對性的風(fēng)電場機(jī)組選型和微觀選址優(yōu)化研究。

風(fēng)電場概況

風(fēng)電場位于河南省中部地區(qū)，場區(qū)高程290m－770m之間。風(fēng)電場所在區(qū)域?qū)俦睖貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候。氣候溫和，四季分明，年平均氣溫14.5℃，年平均降水量604.6mm，年平均日照時數(shù)2228.7h。風(fēng)電場地形地貌主要屬中低扇區(qū)，山體坡度一般為10°－30°。場區(qū)內(nèi)有村莊，基本無耕作農(nóng)田和樹木，為旱地作物和雜木草。該區(qū)域80m高度年平均風(fēng)速在5.5m/s－6m/s之間。風(fēng)電場場址區(qū)域?qū)偕降?，受地形風(fēng)影響明顯，風(fēng)電場風(fēng)向主要以S為主，在冬春季NW和NE風(fēng)向也占一定比例。

風(fēng)電場場址內(nèi)立有2座測風(fēng)塔，其中1#測風(fēng)塔位于場區(qū)西北部，海拔高681m，2#測風(fēng)塔位于場區(qū)南部，海拔高595m。兩測風(fēng)塔測風(fēng)高度均為70m，均采用美國NRG公司的測風(fēng)設(shè)備進(jìn)行測風(fēng)，測風(fēng)時段為2011年11月到2013年7月。

（1）年平均風(fēng)速（見表1）

（2） 50年一遇10min平均最大風(fēng)速與平均空氣密度

根據(jù)風(fēng)電場可行性研究報告，風(fēng)電場70m高度50年一遇10min平均最大風(fēng)速為27.9m/s，利用風(fēng)切變推算到80m高度處50年一遇10min平均最大風(fēng)速為28.3m/s，推算到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度50年一遇10min平均最大風(fēng)速分別為27.2m/s。

根據(jù)測風(fēng)塔上實測氣溫和氣壓，計算出風(fēng)電場區(qū)域的年平均空氣密度為1.134 kg/m3左右。

（3） 風(fēng)切變

根據(jù)工程可行性研究報告，得出1#測風(fēng)塔風(fēng)速隨高度變化綜合指數(shù)為0.088；2#測風(fēng)塔風(fēng)速隨高度變化綜合指數(shù)為0.072，屬于較小水平。

機(jī)型選擇

一、擬選機(jī)型

測風(fēng)塔計算整個風(fēng)電場布機(jī)范圍內(nèi)1#塔70m高度平均風(fēng)速為6.02m/ s，80m高度年平均風(fēng)速為6.1m/s；2#塔70m 高度平均風(fēng)速為5.2m/s，80m高度年平均風(fēng)速為5.25m/s；風(fēng)場70m高度處15m/s風(fēng)速段的湍流強(qiáng)度小于0.14，50 年一遇最大風(fēng)速小于37.5m/s。通過測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)對比可以看出，整個風(fēng)電場范圍內(nèi)的風(fēng)能資源分布情況都適合選擇IECIV類及以上風(fēng)電機(jī)組。

從充分利用風(fēng)電場風(fēng)能資源和風(fēng)電機(jī)組安全等方面考慮，通過對我公司幾款風(fēng)電機(jī)組的特點以及根據(jù)本風(fēng)電場的風(fēng)能資源、地形和交通運輸條件、湍流強(qiáng)度以及各型風(fēng)電機(jī)組的成熟性等特點，本階段擬定以下2種備選風(fēng)電機(jī)組機(jī)型：WTG1500D93、WTG2000D110。

兩種風(fēng)電機(jī)組基本參數(shù)對比見表2。

二、布機(jī)方案及機(jī)型選擇

風(fēng)電機(jī)組選型時應(yīng)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)和造價，擬定若干機(jī)型，綜合考慮擬選風(fēng)場的風(fēng)能資源特征，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個方面進(jìn)行綜合比較，最終確定適合擬選風(fēng)電場的最優(yōu)機(jī)型。本風(fēng)電場擬安裝33臺單機(jī)容量為1500kW的風(fēng)電機(jī)組；或者擬安裝24臺單機(jī)容量為2000kW的風(fēng)電機(jī)組?；诒酒陲L(fēng)電場的風(fēng)能資源情況和我公司風(fēng)電機(jī)組的特點，優(yōu)先考慮24臺WT2000D110風(fēng)電機(jī)組；如果考慮運輸難度較大，則考慮33臺WTG1500D93風(fēng)電機(jī)組的方案。

表1 年平均風(fēng)速對比

機(jī)型選擇階段采用可研報告中對各容量機(jī)組的初步布機(jī)方案進(jìn)行發(fā)電量及經(jīng)濟(jì)性能評估，從而選出適合風(fēng)電場的最佳機(jī)型。根據(jù)可研報告中對兩種容量機(jī)組的初步布機(jī)方案（見圖1、圖2），采用Meteodyn WT軟件推算各機(jī)位點風(fēng)能資源，再根據(jù)各機(jī)型功率曲線進(jìn)行發(fā)電量計算。結(jié)合可研報告中對建筑工程、工程靜態(tài)投資等投資值，初步估算了兩種機(jī)型及布機(jī)方案下的經(jīng)濟(jì)性能評估，估算工程投資見表3。

從表2可以看出，采用上述布機(jī)方案，風(fēng)電場的年理論發(fā)電量以全部采用WTG2000D110機(jī)型方案相對較大，為14145萬kW·h；而全部采用WTG1500D93風(fēng)電機(jī)組的，則全場理論發(fā)電量為13081萬kW·h。從經(jīng)濟(jì)性能方面考慮，采用2MW風(fēng)電機(jī)組的單位電能靜態(tài)投資更低，更具有投資優(yōu)勢。從發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)性能方面綜合考慮，由于此風(fēng)電場年平均風(fēng)速較低，風(fēng)能資源條件一般，因此采用低風(fēng)速大葉片風(fēng)電機(jī)組具有更大的優(yōu)勢。

輪轂高度選擇方面，根據(jù)之前的分析，本風(fēng)電場風(fēng)切變小，升高輪轂高度對發(fā)電量增加作用不明顯，因此建議采用80m輪轂高度。

表2 兩種機(jī)型參數(shù)對比

表3 工程投資估算成果表

圖1 1.5MW機(jī)組布機(jī)方案

圖2 2MW機(jī)組布機(jī)方案

微觀選址優(yōu)化

在風(fēng)電場宏觀選址條件相同的情況下，由于微觀選址條件的不同，相同型號的風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量存在較大的差異。因此為使風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)性能更優(yōu)，需進(jìn)行進(jìn)一步的微觀選址優(yōu)化。MeteodynWT 通過載入地形數(shù)據(jù)，定義繪圖區(qū)域，定義測風(fēng)點以及結(jié)果點通過計算一系列風(fēng)向數(shù)據(jù)來獲得定向結(jié)果推算出一定區(qū)域的風(fēng)能資源分布。根據(jù)推算出的風(fēng)能資源圖譜，并綜合考慮尾流影響、地形條件、道路安裝、主風(fēng)向等因素對可研報告中的微觀選址機(jī)位點進(jìn)行優(yōu)化，最終確定最優(yōu)布機(jī)方案。

從安全性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，結(jié)合湍流強(qiáng)度圖譜和年平均風(fēng)速圖譜，盡量將點選在湍流強(qiáng)度小、年平均風(fēng)速較大的地區(qū)。對圖2中WTG2000D110風(fēng)電機(jī)組布機(jī)方案下各機(jī)位點風(fēng)能資源進(jìn)行分析可知，8個機(jī)位點湍流強(qiáng)度超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，且部分機(jī)位點布置在風(fēng)能資源較弱地區(qū)，經(jīng)濟(jì)性能不佳，因此需對這些機(jī)位點進(jìn)行調(diào)整，使各機(jī)位點安全性能達(dá)到風(fēng)電機(jī)組設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并且盡量將整個風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)性調(diào)整到更優(yōu)。通過WT軟件的微觀選址功能進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組位置的調(diào)整，對這幾個點的位置進(jìn)行微調(diào)。初次調(diào)整完后，重新生成各點的風(fēng)能資源情況查看結(jié)果，發(fā)現(xiàn)T2、T3點的湍流強(qiáng)度仍然較大，還需進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整。附近區(qū)域湍流強(qiáng)度均較大，微調(diào)無法達(dá)到要求，于是需進(jìn)行較大的調(diào)整?？紤]道路安裝條件，結(jié)合場內(nèi)道路圖（見圖3），對T2、T3點進(jìn)行較大的調(diào)整。綜合考慮尾流折減、平均風(fēng)速等因素，經(jīng)過多次調(diào)整，得出最終機(jī)位點分布圖（見圖4）。

圖5、圖6表示微觀選址優(yōu)化前后風(fēng)電場各機(jī)位點年平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度對比結(jié)果，可見，經(jīng)過優(yōu)化后，T2、T3、T6、T14、T15、T16機(jī)位點的湍流強(qiáng)度較大，但年平均風(fēng)速較小，經(jīng)過優(yōu)化后，湍流強(qiáng)度降低，年

圖3 場內(nèi)道路圖

圖4 最終布機(jī)方案圖

圖5 優(yōu)化前后湍流強(qiáng)度對比圖

圖6 優(yōu)化前后年平均風(fēng)速對比圖

表4 微觀選址優(yōu)化前后發(fā)電性能對比

平均風(fēng)速增加，既滿足了機(jī)組安全性要求，又提高了發(fā)電性能。微調(diào)能達(dá)到目的則盡量進(jìn)行微調(diào)，如果微調(diào)無法滿足要求，則須結(jié)合場內(nèi)道路安裝、地形條件、尾流影響等其他因素對機(jī)位點進(jìn)行較大調(diào)整。從表4可以看出，經(jīng)過微觀選址優(yōu)化后，風(fēng)電場各機(jī)位點年平均風(fēng)速增加了0.3m/s，湍流強(qiáng)度降低了0.016，風(fēng)電場整體年有效利用小時數(shù)提高了7%，可見微觀選址優(yōu)化對風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)性能的影響顯著。

結(jié)論

風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組選型及微觀選址對風(fēng)電場設(shè)計至關(guān)重要。本文以某風(fēng)電場為例，通過全場風(fēng)能資源計算分析，選擇兩種比選機(jī)型，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性兩個方面分別進(jìn)行比選，最終得出風(fēng)電場的推薦機(jī)型。機(jī)型確定后，再在可研階段微觀選址基礎(chǔ)上對機(jī)位點進(jìn)行微觀選址優(yōu)化設(shè)計，既滿足機(jī)組安全性要求，同時較大提高了風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)性能，對風(fēng)電場主機(jī)招標(biāo)和正式施工之前最終的機(jī)型確定及微觀選址優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

（作者單位：南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司）

攝影：許霞