大規(guī)模風(fēng)電場建成后對風(fēng)能資源影響的研究

李家川 劉鑫 郭辰 楊亮 王軍 劉鵬程

：風(fēng)能資源具有清潔、可再生的優(yōu)勢，隨著世界能源逐漸短缺，化石燃料導(dǎo)致的污染嚴(yán)重化，風(fēng)能受到越來越多的重視，許多國家已積極致力于這一清潔能源的開發(fā)。多年以前，大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電場只是以小范圍零星布局的形式存在，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，風(fēng)力發(fā)電場面積增大，裝機數(shù)量增多。

大規(guī)模風(fēng)電場建成;風(fēng)能資源影響。

為了預(yù)測風(fēng)電場的產(chǎn)能輸出，使用準(zhǔn)確的方法評估風(fēng)電場的風(fēng)能資源是十分必要的。大多數(shù)風(fēng)電場風(fēng)能資源評估使用的是不存在風(fēng)電場時輪轂高度處的風(fēng)能資源情況，但是風(fēng)電場的建成，即風(fēng)電機組的引入會影響近地面層的風(fēng)況，因此會造成資源評估的較大差異，在進行風(fēng)能資源評估時必須考慮風(fēng)電場的影響。

風(fēng)能資源是自然資源中的一種，屬于可再生資源的范疇?？紤]到風(fēng)能資源是在一定的時期和技術(shù)水平條件下可以被利用，因而最直接的辦法是采用可以轉(zhuǎn)換成電能的數(shù)量來進行風(fēng)能資源的評價，而這與風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置，即風(fēng)電機組的性能有關(guān)。風(fēng)電機組是風(fēng)能利用的核心裝置，不同的風(fēng)電機組具有不同的能量轉(zhuǎn)換性能，其性能一般通過風(fēng)電機組的功率特性來反映，也就是風(fēng)速與風(fēng)電機組輸出功率的對應(yīng)關(guān)系。風(fēng)電機組的風(fēng)能利用效率是指在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下，風(fēng)電機組輸出功率與單位時間內(nèi)流經(jīng)風(fēng)電機組掃風(fēng)面積的空氣所具有的動能之比。盡管風(fēng)電機組的生產(chǎn)廠家、型號各異，但實際上風(fēng)電機組的風(fēng)能利用效率曲線非常相似，數(shù)值范圍也基本相同，尤其是在風(fēng)能較集中、利用效率較高的峰值區(qū)域。

1、非均勻下墊面影響。通常非均勻下墊面主要是指地表非均勻，包括地表動力和熱力非均勻作用。動力非均勻作用是由地表粗糙度改變所引起的，如光滑地表到粗糙地表。在中性大氣條件下，氣流從一種粗糙度表面（風(fēng)電場建場前）躍變到另一種粗糙度表面（風(fēng)電場建成）的過程中，新下墊面的強制作用將調(diào)整原有的風(fēng)速廓線和摩擦速度，隨著氣流向下游的移動，它的強制作用逐漸向上擴散，因而在新表面上空形成一個厚度逐漸加大的新邊界層，最后形成適應(yīng)新下墊面的邊界層。在這一過程的初始和中期階段形成的新邊界層為內(nèi)邊界層，適用于風(fēng)電場內(nèi)部適應(yīng)新下墊面的邊界層。

2、風(fēng)切變測量高度差的影響。由于風(fēng)在垂直方向上存在切變，必須考慮測風(fēng)塔與參考?xì)庀笳緶y風(fēng)數(shù)據(jù)的采集高度差。氣象站測風(fēng)高度一般為地面高度10m左右;測風(fēng)塔一般有多個測風(fēng)高度，而目前風(fēng)電機組輪轂高度一般為70m及以上。若簡單地使用參考?xì)庀笳緶y風(fēng)高度的風(fēng)速和風(fēng)電機組輪轂高度處風(fēng)速建立關(guān)聯(lián)，會造成二者風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)較小且預(yù)測誤差較大。針對這個問題，通過測風(fēng)塔各高度的短期風(fēng)速分布擬合得到各高度間風(fēng)速切變指數(shù)，或通過各高度平均風(fēng)速擬合得到風(fēng)速分布隨海拔高度的變化規(guī)律，推算得到風(fēng)電機組輪轂高度的長期風(fēng)速。在建立關(guān)聯(lián)模型時，根據(jù)所使用的短期數(shù)據(jù)形式可以將關(guān)聯(lián)模型分為散點擬合模型和概率分布模型，概率分布模型又可分為聯(lián)合概率密度分布模型與分布函數(shù)關(guān)系模型兩類，每類模型又因建立關(guān)聯(lián)模型時扇區(qū)分組方法、參數(shù)擬合或計算的方法、模型定義、數(shù)據(jù)長度等的差異而不同。為了實現(xiàn)對風(fēng)速模型更精細(xì)化的擬合，可以對數(shù)據(jù)進行分組分段。分段折線法就是將各扇區(qū)中參考?xì)庀笳竞蜏y風(fēng)塔的同期測風(fēng)數(shù)據(jù)按照風(fēng)速大小分組計算，建立分段折線關(guān)聯(lián)模型。按照測風(fēng)塔和參考?xì)庀笳撅L(fēng)向?qū)⒍唐跍y風(fēng)數(shù)據(jù)進行分組，剔除包含數(shù)據(jù)數(shù)量極少的扇區(qū)中的數(shù)據(jù)，但是在進行扇區(qū)數(shù)據(jù)剔除時，易忽略所含數(shù)據(jù)數(shù)量小但數(shù)值大的扇區(qū)，所以在進行數(shù)據(jù)剔除時，可以將每個風(fēng)向扇區(qū)中測風(fēng)塔風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)功率數(shù)據(jù)作為權(quán)重，將風(fēng)功率之和及風(fēng)速之和均最小的扇區(qū)數(shù)據(jù)剔除，保留數(shù)量少但是風(fēng)功率總和較大的元素。

3、風(fēng)電場建場前輪轂高度處平均風(fēng)速的影響。若在某一區(qū)域?qū)⒔ǔ梢粋€大規(guī)模風(fēng)電場，該區(qū)域建場之前，假設(shè)風(fēng)電機組對氣流的影響在風(fēng)電場內(nèi)水平分布均勻，風(fēng)電機組葉片對氣流的作用力集中在輪轂高度處，忽略風(fēng)電機組塔筒對氣流的影響，風(fēng)電場內(nèi)部平均垂直風(fēng)廓線在輪轂高度上下分別為不同的對數(shù)分布。使用特定的地表粗糙度、風(fēng)電機組相關(guān)參數(shù)以及風(fēng)速韋伯分布，在實際情況中，這三個條件會有所不同，結(jié)果也會發(fā)生相應(yīng)的變化。風(fēng)電場建成后，輪轂高度處風(fēng)速比建場之前的相應(yīng)風(fēng)速小，存在風(fēng)速損失，且隨著增大，風(fēng)速損失變小，原因是風(fēng)電機組的推力系數(shù)隨風(fēng)速的增加而減小。

4、參考風(fēng)功率密度的影響。風(fēng)能資源的大小和優(yōu)劣最終表現(xiàn)在通過風(fēng)電機組所發(fā)出的電量上。以風(fēng)電機組為風(fēng)電轉(zhuǎn)換裝置，風(fēng)電項目的經(jīng)濟收益由單位千瓦裝機投資與單位千瓦裝機發(fā)電收益來決定。為了保證風(fēng)電項目的投資收益，必須提高風(fēng)電場的容量系數(shù)。結(jié)合風(fēng)電項目經(jīng)濟效益，從容量系數(shù)出發(fā)，給出基于參考風(fēng)功率密度的風(fēng)能資源等級劃分，計算有效時間段氣流垂直通過單位面積的發(fā)電量。考慮到風(fēng)能資源評估都以代表年為基礎(chǔ)，參考風(fēng)功率密度實際上就是在一定的離地高度，氣流通過風(fēng)電機組單位掃風(fēng)面積的發(fā)電量。計算發(fā)電量時，可先將風(fēng)速序列處理成各等級風(fēng)速，再根據(jù)風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)代表性的風(fēng)速分布，算出參考風(fēng)功率密度。由于參考風(fēng)功率密度結(jié)合了諸多因素，因而可以作為風(fēng)電場宏觀選址風(fēng)能資源評價的一個綜合性指標(biāo)參數(shù)，但它并沒有考慮風(fēng)向的穩(wěn)定性等對風(fēng)電機組出力的影響。隨著選用風(fēng)電機組葉輪直徑的增大，誤差也有增大的趨勢，這是因為參考風(fēng)功率密度值隨著高度不同而不同，當(dāng)風(fēng)電機組葉輪直徑變大時，用一個高度的值去代表風(fēng)電機組不同葉輪直徑范圍內(nèi)不同高度的值，其引入的誤差也會隨之增大。

在智能電網(wǎng)的發(fā)展要求下，風(fēng)能資源評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和最大限度地縮短評估周期，已經(jīng)成為最基本的要求。研究應(yīng)從目前已有的風(fēng)電場出發(fā)，結(jié)合不同場地條件下的風(fēng)電場實際運行數(shù)據(jù)，用大數(shù)據(jù)與云計算技術(shù)，為風(fēng)能資源提供更有參考價值的平臺。深層次挖掘再分析數(shù)據(jù)、中尺度數(shù)據(jù)、周邊風(fēng)電場、氣象站、機組SCADA數(shù)據(jù)和理論模型之間的相互關(guān)系。提升風(fēng)能資源精度的同時優(yōu)化預(yù)測模型的評估精度，構(gòu)筑風(fēng)電場全生命周期的評估體系，建立前、中、后期的一體化評估，從而使評估參數(shù)多元化，進一步提升評估預(yù)測結(jié)果的精度。結(jié)合氣象要素和實際運行，研究并構(gòu)筑各點位動態(tài)，避免理想功率造成的評估誤差對風(fēng)電機組生產(chǎn)、運維工作的影響。當(dāng)前風(fēng)電場總裝機容量和單機容量不斷增大，應(yīng)深入研究尾流疊加模型和湍流擾動模型，考慮其對發(fā)電量評估和預(yù)測的影響，進一步提高風(fēng)能資源評估的精度。

隨著大規(guī)模風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)，精確可靠的風(fēng)能資源評估，可以有效地降低風(fēng)電并網(wǎng)所帶來的風(fēng)險?，F(xiàn)有的風(fēng)能資源評估還存在一定的局限性，特別是對風(fēng)能資源的間歇性和不確定性的預(yù)測難度極大。我國的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展比較好，電力企業(yè)的智能電網(wǎng)已經(jīng)形成。在風(fēng)力發(fā)電的運行中，確實存在一些問題需要我們解決，在不斷的創(chuàng)新和改革中，希望能達到更高的水平，促進我國的經(jīng)濟和社會的發(fā)展。

[1] 中國能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略研究項目組. 中國能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略研究（綜合卷） [M ]. 北京： 科學(xué)出版社， 2017.

[2]中國工程院. 中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究（風(fēng)能卷） [M ] .北京： 中國電力出版社， 2018.

[3] 中國氣象局風(fēng)能太陽能資源評估中心. 中國風(fēng)能資源評估[M ] . 北京： 氣象出版社， 2018.