測風(fēng)時(shí)間尺度對風(fēng)電場設(shè)計(jì)參數(shù)的影響研究

李云濤

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410007)

測風(fēng)時(shí)間尺度對風(fēng)電場設(shè)計(jì)參數(shù)的影響研究

李云濤

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410007)

以湖南地區(qū)多個(gè)風(fēng)電場為例，選取10 min和1 h的測風(fēng)時(shí)間序列并采用單機(jī)計(jì)算法計(jì)算分析風(fēng)電場風(fēng)能資源參數(shù)、發(fā)電量和內(nèi)部收益率指標(biāo)，以探討測風(fēng)時(shí)間尺度對風(fēng)電場設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。結(jié)果表明，10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列計(jì)算風(fēng)能資源參數(shù)成果基本一致，但1 h測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量和內(nèi)部收益率系統(tǒng)性偏小，同時(shí)差異隨平均風(fēng)速和機(jī)組葉片的減小有增大趨勢。該成果可為風(fēng)電場風(fēng)能資源評估、發(fā)電量、內(nèi)部收益率的不確定性及后評估提供參考，同時(shí)建議風(fēng)電相關(guān)規(guī)程規(guī)范和風(fēng)資源工程師采用10 min測風(fēng)時(shí)間序列開展風(fēng)能資源評估尤其是代表年訂正及發(fā)電量計(jì)算工作。

風(fēng)電場；測風(fēng)時(shí)間尺度；設(shè)計(jì)參數(shù)；風(fēng)能參數(shù)；發(fā)電量；內(nèi)部收益率

風(fēng)能資源評估是通過對風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)、修正、插補(bǔ)、延展等，采用長期參證氣象站訂正整理出至少連續(xù)1年的測風(fēng)數(shù)據(jù)，并計(jì)算風(fēng)能資源參數(shù)[1]。風(fēng)能資源評估過程中常依據(jù)測風(fēng)塔風(fēng)速與同時(shí)刻參證氣象站或再分析數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，對測風(fēng)塔風(fēng)速進(jìn)行代表年訂正，以進(jìn)一步開展機(jī)組選型、布置及發(fā)電量計(jì)算等工作。

由于風(fēng)電相關(guān)規(guī)程規(guī)范對發(fā)電量計(jì)算采用的測風(fēng)時(shí)間尺度沒有明確規(guī)定，筆者發(fā)現(xiàn)風(fēng)資源工程師通常采用兩種數(shù)據(jù)處理方法開展風(fēng)電場設(shè)計(jì)工作：即選取經(jīng)過代表年訂正的1 h測風(fēng)時(shí)間序列或未經(jīng)過代表年訂正的10 min測風(fēng)時(shí)間序列，進(jìn)行風(fēng)能資源評估、風(fēng)能資源模擬和發(fā)電量計(jì)算。

本文以湖南省多個(gè)風(fēng)電場為例，選取10 min和1 h的測風(fēng)時(shí)間序列計(jì)算分析風(fēng)能資源參數(shù)、發(fā)電量和內(nèi)部收益率，以探討測風(fēng)時(shí)間尺度對風(fēng)電場設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。

1 資料與方法

1.1資料的選取

本文選取湖南地區(qū)多個(gè)風(fēng)電場代表性測風(fēng)塔完整年的測風(fēng)時(shí)間序列進(jìn)行計(jì)算分析。測風(fēng)塔高度均為80 m，海拔高度分別為530、360、312、834 m，測風(fēng)塔有效數(shù)據(jù)完整率均滿足規(guī)范要求。測風(fēng)塔基本信息見表1。

表2 風(fēng)能資源參數(shù)對比分析表

表1 測風(fēng)塔基本信息表

1.2計(jì)算方法和軟件

1.2.1單機(jī)計(jì)算法

風(fēng)電場通過風(fēng)電機(jī)組把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)經(jīng)過風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪后速度下降并產(chǎn)生紊流，在風(fēng)向上間隔一定距離之后風(fēng)速才會恢復(fù)。為避免風(fēng)電機(jī)組之間的尾流影響，保證計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，采用單機(jī)計(jì)算法計(jì)算發(fā)電機(jī)組發(fā)電量。單機(jī)計(jì)算法即假定在測風(fēng)塔位置布置一臺代表性風(fēng)電機(jī)組，依據(jù)風(fēng)資源評估軟件計(jì)算出測風(fēng)塔位置單機(jī)發(fā)電量[2-3]。

1.2.2代表年假定

代表年訂正是通過分析風(fēng)電場附近的參證氣象站近30年年平均風(fēng)速的變化規(guī)律，運(yùn)行風(fēng)電場與參證氣象站同期實(shí)測風(fēng)速的良好相關(guān)關(guān)系，訂正一套能夠反映風(fēng)電場建成后20年運(yùn)行期間平均水平的測風(fēng)時(shí)間序列，并計(jì)算風(fēng)電場20年的平均發(fā)電量。為避免代表年訂正對測風(fēng)時(shí)間序列產(chǎn)生的不確定影響，假定測風(fēng)塔時(shí)間序列為水平年，即不對10 min和1 h的測風(fēng)時(shí)間序列進(jìn)行代表年分析，直接采用經(jīng)過數(shù)據(jù)檢驗(yàn)并修正后的10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列分別進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算。

1.2.3風(fēng)資源軟件

本文采用目前應(yīng)用于復(fù)雜山地風(fēng)電場的主流風(fēng)資源評估軟件Meteodyn_WT 5.2.0進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量計(jì)算。該軟件使用計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)進(jìn)行風(fēng)力建模，解決大氣邊界層問題。該軟件的應(yīng)用模塊可以將多個(gè)測風(fēng)塔以及每個(gè)測風(fēng)塔不同高度的風(fēng)流數(shù)據(jù)載入軟件當(dāng)中進(jìn)行綜合分析與計(jì)算，是風(fēng)資源評估的一種有效工具，國外風(fēng)電領(lǐng)域的大型開發(fā)商、咨詢公司及風(fēng)機(jī)制造商在復(fù)雜條件下的風(fēng)能資源評估及微觀選址多采用此軟件。

1.2.4經(jīng)濟(jì)評價(jià)軟件

本文采用目前WEEV 5.1進(jìn)行風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)評價(jià)。該軟件以《風(fēng)電場工程可行性研究報(bào)告編制規(guī)定》、《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)方法和參數(shù)》(第三版)及《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)案例》為編制依據(jù)，通過輸入基本參數(shù)、成本費(fèi)用、收入和稅金、敏感性參數(shù)等，計(jì)算生成財(cái)務(wù)評價(jià)報(bào)表并進(jìn)行敏感性分析。

2 實(shí)例分析

本文采用1號～4號測風(fēng)塔經(jīng)過數(shù)據(jù)檢驗(yàn)并修正后的10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列計(jì)算風(fēng)能資源參數(shù)，并輸入軟件Meteodyn_WT 5.2.0進(jìn)行風(fēng)資源條件模擬，然后在測風(fēng)塔位置布置一臺代表性風(fēng)電機(jī)組，再依據(jù)實(shí)際空氣密度下的風(fēng)機(jī)機(jī)型的功率曲線和推力系數(shù)曲線進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，最后假定單個(gè)風(fēng)電場50 MW的裝機(jī)容量和4.2億元的總投資并采用軟件WEEV 5.1進(jìn)行發(fā)電效益和內(nèi)部收益率計(jì)算。

2.1風(fēng)能資源參數(shù)

依據(jù)1號～4號測風(fēng)塔10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列對平均風(fēng)速、平均風(fēng)功率密度、主風(fēng)向、主風(fēng)能方向及頻率進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)能資源參數(shù)對比分析表見表2。

由表2可知，依據(jù)10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列計(jì)算的平均風(fēng)速、主風(fēng)向、主風(fēng)能方向均相同，平均風(fēng)功率密度、主風(fēng)向頻率、主風(fēng)能方向頻率存在微弱差異，其中1 h測風(fēng)時(shí)間序列平均風(fēng)功率密度存在系統(tǒng)性偏小，初步分析原因?yàn)闇y風(fēng)時(shí)間尺度的延長會強(qiáng)化風(fēng)速的坦化作用。

2.2短葉片風(fēng)機(jī)機(jī)型

采用短葉片WTG105-2000風(fēng)機(jī)機(jī)型進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，該機(jī)型功率曲線及推力系數(shù)曲線見圖1，計(jì)算成果見表3、圖2、圖3。

表3 WTG105-2000風(fēng)機(jī)機(jī)型發(fā)電量、發(fā)電收益及內(nèi)部收益率成果表

表4 WTG118-2000風(fēng)機(jī)機(jī)型發(fā)電量、發(fā)電收益及內(nèi)部收益率成果表

圖1 WTG105-2000風(fēng)機(jī)機(jī)型功率曲線及推力系數(shù)曲線

圖2 WTG105-2000風(fēng)機(jī)機(jī)型不同時(shí)間序列發(fā)電量差異對比圖

圖3 WTG105-2000風(fēng)機(jī)機(jī)型發(fā)電量差異隨平均風(fēng)速變化對比圖

由表3和圖2、圖3可以看出： 10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量均不相同，且1 h與10 min測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量相比存在系統(tǒng)性偏小現(xiàn)象，主要是因?yàn)闇y風(fēng)時(shí)間尺度的延長會強(qiáng)化風(fēng)速的坦化作用，繼而影響平均風(fēng)功率密度和發(fā)電量；10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量、發(fā)電收益及內(nèi)部收益率的差異隨平均風(fēng)速減小有增大趨勢。

2.3長葉片風(fēng)機(jī)機(jī)型

采用長葉片WTG118-2000風(fēng)機(jī)機(jī)型進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，該機(jī)型功率曲線及推力系數(shù)曲線見圖4。計(jì)算成果見表4、圖5、圖6。

圖4 WTG118-2000風(fēng)機(jī)機(jī)型功率曲線及推力系數(shù)曲線

圖5 WTG118-2000風(fēng)機(jī)機(jī)型不同時(shí)間序列發(fā)電量差異對比圖

圖6 WTG118-2000風(fēng)機(jī)機(jī)型發(fā)電量差異隨平均風(fēng)速變化對比圖

由表4和圖5、圖6可以得出： 10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量均不相同，且1 h與10 min測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量相比存在系統(tǒng)性偏小現(xiàn)象； 10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量、發(fā)電收益及內(nèi)部收益率的差異隨平均風(fēng)速減小有增大趨勢。

2.4兩種機(jī)型結(jié)果對比

兩種風(fēng)機(jī)機(jī)型的功率曲線及推力系數(shù)曲線對比圖見圖7、圖8、計(jì)算成果對比見表5、圖9。

圖7 兩種風(fēng)機(jī)機(jī)型功率曲線對比圖

圖8 兩種風(fēng)機(jī)機(jī)型推力系數(shù)對比圖

測風(fēng)塔平均風(fēng)速/(m·s-1)年上網(wǎng)電量差值/MWhWTG105?2000WTG118?20001號5．7874732號5．982663號6．351954號6．91124

圖9 兩種風(fēng)機(jī)機(jī)型發(fā)電量差異對比圖

由表5和圖8、圖9可以得出，10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量的差異隨風(fēng)機(jī)機(jī)型葉片長度的減小有增大趨勢。

3 相關(guān)資料對測風(fēng)時(shí)間尺度的描述

(1)根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》(GB /T18710—2002)，風(fēng)能資源評估是通過對風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)、修正、插補(bǔ)、延展，采用長期參證氣象站訂正整理出至少連續(xù)1年的逐小時(shí)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，并計(jì)算評估風(fēng)能資源所需要的參數(shù)。

(2)依據(jù)風(fēng)資源評估軟件Meteodyn_WT 5.2.0的推薦，測風(fēng)數(shù)據(jù)時(shí)間尺度推薦采用10 min。

(3)依據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 功率特性試驗(yàn)》(GB/T 18451.2—2012)，功率特性試驗(yàn)中測量的氣溫、氣壓、風(fēng)速、發(fā)電量的時(shí)間尺度采用10 min，功率曲線成果時(shí)間尺度亦是10 min。

(4)依據(jù)《風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)功能規(guī)范》(NB/T 31046—2013)，測風(fēng)數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度不小于10 min。

(5)依據(jù)IEC_61400-1-2005，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)間尺度為10 min。

參考這些規(guī)程規(guī)范，同時(shí)結(jié)合風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，建議風(fēng)電相關(guān)規(guī)程規(guī)范和風(fēng)資源工程師采用10min測風(fēng)時(shí)間序列開展風(fēng)能資源評估尤其是代表年訂正及發(fā)電量計(jì)算工作。

4 結(jié)語

(1)10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列平均風(fēng)速、主風(fēng)向、主風(fēng)能方向完全一致，平均風(fēng)功率密度、主風(fēng)向頻率、主風(fēng)能方向頻率存在微弱差異，其中1 h與10 min測風(fēng)時(shí)間序列平均風(fēng)功率密度相比存在系統(tǒng)性偏小現(xiàn)象，主要是因?yàn)闇y風(fēng)時(shí)間尺度的延長強(qiáng)化了風(fēng)速的坦化作用。

(2)10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量不同，且1 h與10 min測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量相比存在系統(tǒng)性偏小現(xiàn)象。

(3)10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量、發(fā)電收益及內(nèi)部收益率的差異隨平均風(fēng)速減小有增大趨勢。

(4)10 min和1 h測風(fēng)時(shí)間序列發(fā)電量的差異隨風(fēng)機(jī)機(jī)型葉片長度的減小有增大趨勢。

(5)建議風(fēng)電相關(guān)規(guī)程規(guī)范和風(fēng)資源工程師采用10 min測風(fēng)時(shí)間序列開展風(fēng)能資源評估尤其是代表年訂正及發(fā)電量計(jì)算工作。

[1] 風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法(2002版)：GB/T 18710—2002 [S].

[2]Methodology of wind energy resource assessment for wind farm (2008)：GB/T 18710—2002[S].

[3]牟磊.單機(jī)計(jì)算法修正風(fēng)電場發(fā)電量計(jì)算[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2009(9)：76-80.

MU Lei. Correcting calculation of generation quantity with single set calculation method in wind generation plant[J]. Electric Power Survey & Design，2009(9)：76-80.

(本文編輯：趙艷粉)

Influence of Wind Measurement Time Scales on Wind Farm Design Parameters

LI Yuntao

(Hunan Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Energy Engineering Group, Changsha 41007，China)

In order to investigate how wind measurement time scales influenc the design parameters of wind farm, multiple wind farms in Hunan Province were taken as examples, the wind time series of 10 min and 1 h were selected and single-unit computing method was used for calculating and analyzing the wind farm energy parameters, power generation, and internal rate of return index. It is shown that parameter calculation results of wind energy resources by the 10 min and 1 h wind time series are basically identical, but the power generation capacity and internal rate of return by 1 h time series are small, and meanwhile the difference tends to increase with the decrease of the average wind speed and the unit blades. The research findings can provide a reference for assessing the wind farm energy resources and the uncertainty of power generation, internal rate of return. And it is suggested that the engineers for wind power related procedure specification and wind resources adopt 10 min wind time series in the wind energy resource assessment, especially on behalf of the annual correction and output calculation work.

wind farm；wind measurement time scale；design parameter；wind energy parameter；generation quantity；internal rate of return

10.11973/dlyny201704025

TM614

：A

：2095-1256(2017)04-0463-04

2017-04-15