基于風資源測評的化德風電場二期工程的風機選型初選規(guī)劃

董顥霞 王振巖 范 培 劉 斌 張騰飛

（河北建筑工程學院，河北張家口075000）

0 引 言

大規(guī)模利用可再生能源，是世界各國發(fā)展的重要戰(zhàn)略規(guī)劃.經(jīng)過多年的發(fā)展，我國可再生能源的開發(fā)利用已取得了很大進展.其中，發(fā)展最快的是風能.我國風能資源儲量豐富，山東、遼東半島、黃海之濱，南澳島以西的南海沿海、海南島和南海諸島，內(nèi)蒙古從陰山山脈以北到大興安嶺以北，新疆達板城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，張家口北部等地區(qū)以及分布各地的高山山口和山頂.其中，內(nèi)蒙古自治區(qū)北部地處蒙古高原，受蒙古冷高壓的長期控制，全區(qū)風能占全國風力資源量的39.9%，成為了我國風能開發(fā)的前沿陣地.位于內(nèi)蒙古化德縣內(nèi)的華能國際化德大地泰泓風電場，地處蒙古高原，已建一期工程，裝設(shè)風力發(fā)電機組49.5MW，建設(shè)1臺100MVA主變壓器，220kV出線1回，采用線路－變壓器組接線，接入興廣220kV變電站.35kV出線4回，采用單母線接線，35kV母線裝設(shè)動態(tài)無功補償裝置1組.在此基礎(chǔ)上，規(guī)劃建立二期工程.在建設(shè)風電場之前要對風電場建設(shè)可行性進行分析和論證.風資源評估作為分析風電場建設(shè)的可行性的基礎(chǔ)，是大力發(fā)展風力發(fā)電的重要前提條件.

1 風電場和輪轂高度的風資源測評

1.1 參證氣象站與測風塔基本情況

距風電場最近的氣象站為化德縣氣象站，屬國家基本氣象站.化德縣氣象站位于烏蘭察布市化德縣長順鎮(zhèn)，距風電場約24km，該站設(shè)立于1952年，至今已有50多年的觀測記錄.1958年站址遷至朝陽鎮(zhèn)，1967年6月氣象站由朝陽鎮(zhèn)遷回化德縣城關(guān)鎮(zhèn)（即現(xiàn)在的長順鎮(zhèn)），距原址7.5km，方位SE，東經(jīng)114°00′，北緯41°54′，觀測場海拔高度為1482.7m.

采集到的化德縣氣象站資料包括：

（1）1958年1月～2008年12月各年逐月平均風速；

（2）2006年1月1日～2006年12月31日逐時平均風速風向；

（3）其它常規(guī)氣象要素資料.

以化德縣氣象站為風電場的參證氣象站，并對其測風資料進行綜合分析.

本項目提供了1260號和1270號測風塔，1260號測風塔位于本期工程的風場范圍西南角，采用Nomad公司的采集設(shè)備，坐標E114°15′56″，N41°58′09″，海拔1516m，概況見表1.1270號測風塔距離1260號測風塔8km，方位WNW，坐標N41°59′34″，E114°09′57″，海拔1472m，測風塔配置與1260號測風塔配置一樣.兩測風塔10m、30m、50m、60m、70m高度測風數(shù)據(jù)的相關(guān)性系數(shù)分別是0.75、0.76、0.76、0.77、0.72，相關(guān)性較好.本規(guī)劃以本期風電場內(nèi)的1260號測風塔的所測風況數(shù)據(jù)為依據(jù)，其測風數(shù)據(jù)可以代表本風場的資源情況.測風年為2006年1月1日到2006年12月31日.

表1 1260號測風塔配置一覽表

1.2 測風塔數(shù)據(jù)驗證和各高度測風數(shù)據(jù)相關(guān)分析

為了有效評估風電場的風能資源，應對1260號測風塔原始的測風數(shù)據(jù)進行驗證，檢驗出不合理的數(shù)據(jù)和缺測數(shù)據(jù)，并對其進行處理，經(jīng)對測風塔的測風數(shù)據(jù)統(tǒng)計，判別1260號測風塔的有效數(shù)據(jù)完整率為95.7%.

根據(jù)1260號測風塔實測資料分析，測風塔各高度風速相關(guān)系數(shù)見表2，由表可知，測風塔各高度間風速具有良好的相關(guān)性.

表2 測風塔各高度測風數(shù)據(jù)相關(guān)性

1.3 測風塔與氣象站的數(shù)據(jù)相關(guān)分析與修正

由于1260號測風塔70m高度處風速缺測較多，因此采用60m高度處的風速數(shù)據(jù)進行相關(guān)性的分析以及代表年的修正.將1260號測風塔60m、10m高度處的2006年1月1日到2006年12月31日測風資料與化德縣氣象站同步實測的風速、風向數(shù)據(jù)進行16個風向扇區(qū)的相關(guān)分析，相關(guān)函數(shù)采用線性方程y＝kx＋b，其中：y代表風電場風速，x代表氣象站風速.

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可知，氣象站與風電場測風塔60m、10m高度的測風數(shù)據(jù)只在風向扇區(qū)（NE－ESE）上相關(guān)性較差，因此可以認為化德氣象站與風電場1260號測風塔之間具有較好的相關(guān)性.

根據(jù)《風電場風能資源評估方法》GB／T18710－2002標準，根據(jù)風電場附近的氣象站長期觀測數(shù)據(jù)，將驗證后的風電場測風數(shù)據(jù)訂正為一套能夠反映風電場長期平均風況的代表性數(shù)據(jù).根據(jù)化德縣氣象站1958年1月～2008年12月共51年觀測資料分析的各長序列時間段的平均風速結(jié)果分析，氣象站的長序列風速呈遞減趨勢.選用近17年（1992－2008年）作為長期系列，對應各象限風速相關(guān)曲線，求出其風速代數(shù)差值，將測風塔數(shù)據(jù)的各個風向象限內(nèi)的每個風速都加上對應的風速代數(shù)差值，就獲得風電場代表年的風速系列.基于此，進行風電場的風資源評價.

1.4 風電場風況分析

依據(jù)1260號測風塔測風年數(shù)據(jù)，進行風電場測風年的風況分析.根據(jù)風電場60m高度、50m高度、30m高度、10m高度測風年風速、風功率密度分布狀況，可知，風電場各高度年內(nèi)日平均風速變化整體起伏較大，呈周而復始的規(guī)律，其中60m、50m高度處每日上午8時許風速最低、然后逐漸升高，到下午15時許風速達到最高，至30m、10m高度風速的日變化趨勢與70m、60m、50m高度處基本相同，只是風速的最低值出現(xiàn)在上午的6時許，最大值出現(xiàn)在下午14時許.風功率密度日變化也基本遵循此規(guī)律.

由于風的隨機性很大，因此在判斷一個地方的風況時，必須依賴于風的頻譜特性，一般來說，年度風速風能頻率分布曲線最有代表性.根據(jù)風速WEIBULL分布曲線分析，60m高度風速的眾值都出現(xiàn)在3～12m／s風速區(qū)間，約占全部風速分布的82%；風能的眾值都出現(xiàn)在8～18m／s風速區(qū)間，約占全部風能的82%；10m高度風速的眾值都出現(xiàn)在3～11m／s風速區(qū)間，約占全部風速分布的82%；風能的眾值都出現(xiàn)在7～18m／s風速區(qū)間，約占全部風能的86%.風電場的盛行風向主要集中于157.5°～315°（SSE～NW）之間，占總風能的85.0%.由以上分析可知，該風電場的風向穩(wěn)定性較好，風能較為集中.

1.5 風電場風能資源總體評價

（1）風能資源

風電場測風塔60m、10m高度處代表年的年平均風速分別為8.1m／s、7.1m／s；年平均風功率密度分別為487.8W／m2、369.5W／m2.

（2）有效風時數(shù)較高

風電場測風塔60m、10m高度處代表年年有效風速小時數(shù)分別為8121h（3～25m／s）、7953h（3～25m／s）.

（3）風向穩(wěn)定，風能分布集中

風電場60m、10m高度代表年風向及風能主要集中于157.5°～315°（SSE～NW）之間，占總風能的87.2%和85.0%.

（4）破壞性風速小

60m高度處50年一遇最大風速為39.8m／s，湍流強度（I15m／s）為0.09.

綜上所述該風電場代表年60m高度年平均風速為8.1m／s，年平均風功率密度為487.8W／m2，風功率密度等級屬于4級，其年有效風速小時數(shù)達8121h（3～25m／s），盛行157.5°～315°（SSE～NW）風，風向穩(wěn)定、破壞性風速小，風能資源豐富，具備較高的開發(fā)價值，適宜建設(shè)大型風電場.

2 基于風資源測評的風力發(fā)電機組比選

由于所選機型的輪轂高度均在60～70m之間，因此，更應該考慮在此高度下的風況，風電場輪轂高度處特征參數(shù)見表3.

表3 風電場輪轂高度處特征參數(shù)

綜合以上數(shù)據(jù)資料，該風場適宜選用IECⅡC類及以上的風電機組.這樣可以更好的利用當?shù)氐娘L能資源.目前國內(nèi)外各種機組的技術(shù)水平日漸成熟，根據(jù)場區(qū)的地形結(jié)合當?shù)氐娘L資源情況，初步選擇三種不同功率等級的風力發(fā)電機組進行比選.

等級一：單機容量為1250kW，共布置40臺風力發(fā)電機組，總裝機為50MW.

等級二：單機容量為1500kW，共布置33臺風力發(fā)電機組，總裝機為49.5MW.

等級三：單機容量為2000kW，共布置25臺風力發(fā)電機組，總裝機為50MW.

對各種比選機型方案分別計算各自的發(fā)電量、單位千瓦時投資，見表4.

表4 各機型技術(shù)經(jīng)濟比較表

根據(jù)上表比較，各比選機型中WTG1500年理論發(fā)電量及年等效滿負荷小時數(shù)較高，單位千瓦時投資最低，而其他機型年理論發(fā)電量及年等效滿負荷小時數(shù)較低，單位千瓦時投資較高.而且考慮了風電場地區(qū)的地形及交通運輸條件，機組國產(chǎn)化，占地以及業(yè)主的意見等因素后，初步選擇了單機容量為1500kW的不同低溫型大槳葉的機型進行比選，各機型特征參數(shù)如表5.

表5 各機型特征參數(shù)機型

3 各種機型方案經(jīng)濟比較

對各種比選機型方案分別計算各自的發(fā)電量、單位千瓦時投資，見表6.由于目前該項目處于可行性研究階段，設(shè)計單位很難準確掌握各種機組的實際價格，下表的數(shù)據(jù)提供參考使用.

表6 各種機型經(jīng)濟性比較表

根據(jù)以上比較，各比選機型中方案四WTG1500D年理論發(fā)電量及年等效滿負荷小時數(shù)較高，單位千瓦時投資最低；而其他機型年理論發(fā)電量及年等效滿負荷小時數(shù)較低，單位千瓦時投資較高，而且與其他機型相比，該機型技術(shù)成熟，運行可靠性較好，經(jīng)綜合比較分析，推薦采用方案四WTG1500D機型.

本規(guī)劃運用風資源測評方法，借助化德縣氣象站作為風電場測風的參證氣象站，利用多年的氣象數(shù)據(jù)，對1260號測風塔的數(shù)據(jù)進行了修正，同時把風資源測評和風電場經(jīng)濟性統(tǒng)一起來，完成了化德風電場二期工程的風機選型初選規(guī)劃.

［1］陜?nèi)A平，肖登明，薛愛東.大型風電場的風資源評估［期刊論文］－華東電力，2006，34（2）

［2］臧銳，馮守忠.內(nèi)蒙古風能資源評價及風電開發(fā)［J］.國際電力，1997，4：17～20

［3］陳通謨，內(nèi)蒙古發(fā)展風電促進電力多樣化的探討，風力發(fā)電，2001，2：14～19

［4］GB／T18709－2002，風電場風能資源測量方法［S］

［5］GB／T18710－2002，風電場風能資源評估方法［S］

［6］薛桁，朱瑞兆，楊振斌，等，中國風能資源儲量估算［J］.太陽能學報，2001，22（2）：167～170