測(cè)風(fēng)塔代表性對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估的影響

楊富程，韓二紅，王彬?yàn)I，劉海坤，黃博文

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，610094，成都)

0 引言

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估是關(guān)乎風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，而影響風(fēng)能資源準(zhǔn)確評(píng)估的又是測(cè)風(fēng)塔的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，因此，測(cè)風(fēng)塔的代表性對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源評(píng)估至關(guān)重[1－3]。復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)由于受到地形地貌、地勢(shì)、下墊面以及山體走向等多種復(fù)雜條件的影響，風(fēng)電場(chǎng)不同區(qū)域的成風(fēng)條件、風(fēng)況特征也不同[4－5]，復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔所能代表區(qū)域的風(fēng)能資源十分有限，若僅采用某一點(diǎn)或幾點(diǎn)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)為代表，風(fēng)能資源評(píng)估具有很大的不確定性[6－7]。因此，需要在風(fēng)能資源不確定的典型區(qū)域加密測(cè)風(fēng)塔，以便準(zhǔn)確評(píng)估整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源的分布情況，保證微觀選址及風(fēng)機(jī)選型與布置、發(fā)電量評(píng)估的準(zhǔn)確性，進(jìn)而降低風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)的投資風(fēng)險(xiǎn)[8－9]。

復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估最重要的一點(diǎn)就是測(cè)風(fēng)塔是否具有代表性，只有測(cè)風(fēng)塔具有代表性才能真正客觀、準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源情況。本文通過已投運(yùn)的復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的SCADA數(shù)據(jù)，采用不同擬定的方案，利用Windsim軟件對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估，計(jì)算不同擬定方案下風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位平均風(fēng)速和可利用小時(shí)數(shù)的相對(duì)誤差，分析了復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估的影響，同時(shí)就復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔的布設(shè)提出自己的建議，為復(fù)雜地形風(fēng)電項(xiàng)目測(cè)風(fēng)塔的選址工作起到一定的借鑒作用。

1 測(cè)風(fēng)塔選址原則

復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)由于其地形復(fù)雜，測(cè)風(fēng)塔所能代表的區(qū)域往往有限，為能夠準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)能資源，需要在風(fēng)電場(chǎng)典型區(qū)域設(shè)立多座測(cè)風(fēng)塔以降低風(fēng)能資源評(píng)估的不確定性。因此，為節(jié)約項(xiàng)目前期投資同時(shí)降低風(fēng)能資源評(píng)估的不確定性，在設(shè)立測(cè)風(fēng)塔時(shí)應(yīng)綜合考慮測(cè)風(fēng)塔的代表性。

風(fēng)資源是受地形影響最大的氣象要素，受地理位置、下墊面特征及周圍環(huán)境的影響很大，但就同一風(fēng)電場(chǎng)，其大氣結(jié)構(gòu)和地貌特征基本一致，所以其地形特征就決定了風(fēng)電場(chǎng)不同區(qū)域的風(fēng)能資源特性，因此測(cè)風(fēng)塔代表性可根據(jù)地形特征相似原則和測(cè)風(fēng)塔代表區(qū)域半徑范圍界定[10]。

根據(jù)國(guó)家以及行業(yè)的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定[11－13]，測(cè)風(fēng)塔位置應(yīng)在風(fēng)電場(chǎng)中具有代表性，能夠基本代表風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)況，并且周圍開闊;測(cè)風(fēng)塔位置應(yīng)選擇在風(fēng)電場(chǎng)主風(fēng)向的上風(fēng)向位置;在選擇測(cè)風(fēng)塔位置時(shí)，附近應(yīng)無高大建筑物、樹木等障礙物，如果無法避開，則與單個(gè)障礙物距離應(yīng)大于障礙物高度的3倍，與成排障礙物距離應(yīng)保持在障礙物最大高度的10倍以上;地形較為平坦的風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔控制半徑不宜超過5 km，地形較為復(fù)雜的風(fēng)電場(chǎng)選擇不同地段場(chǎng)址安裝測(cè)量設(shè)備測(cè)風(fēng)塔控制半徑不宜超過2 km等。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

為進(jìn)一步分析和論證測(cè)風(fēng)塔代表性對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估的影響，以西南地區(qū)某49.5 MW復(fù)雜山地風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)電場(chǎng)海拔位于2 100～3 350 m之間，地形復(fù)雜，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)海拔變化較大。風(fēng)電場(chǎng)前期設(shè)計(jì)階段有3座測(cè)風(fēng)塔(A、B和C)，設(shè)計(jì)階段根據(jù)3座測(cè)風(fēng)塔推算的風(fēng)電場(chǎng)33個(gè)機(jī)位發(fā)電量均相對(duì)較好。但根據(jù)現(xiàn)階段收集到風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組M1～M33的近3 a運(yùn)行數(shù)據(jù)，部分風(fēng)機(jī)發(fā)電量偏低。M1～M8風(fēng)機(jī)和M21～M33風(fēng)機(jī)所在區(qū)域主風(fēng)向基本一致，為SW;M9～M20由于受周圍地形的影響，主風(fēng)向?yàn)镾SW。

本次擬采用風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行后的風(fēng)電機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估和發(fā)電量分析，并結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)地形地貌等情況，進(jìn)一步分析測(cè)風(fēng)塔布設(shè)位置的代表性對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估的影響。但需要說明的是，風(fēng)電機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)是受風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行以及尾流干擾后的數(shù)據(jù)，與實(shí)際風(fēng)機(jī)點(diǎn)位處的風(fēng)能資源情況存在一定的偏差，論文通過采用3年的SCADA數(shù)據(jù)以盡可能降低其影響，提高SCADA測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可信度。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)地形圖和風(fēng)電機(jī)組布置圖

2.2 CFD模擬試驗(yàn)方案

Windsim軟件是一款基于CFD和邊界氣象學(xué)方法，模擬分析風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)能資源特性的風(fēng)電場(chǎng)專業(yè)工具。Windsim采用CFD方法進(jìn)行空間風(fēng)流模擬，求解三維Navier－Stokes方程，并應(yīng)用合適的湍流模型和邊界條件對(duì)風(fēng)電場(chǎng)目標(biāo)區(qū)域的風(fēng)流特性參數(shù)進(jìn)行求解計(jì)算。已有研究表明Windsim軟件對(duì)復(fù)雜地形條件下的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源具有一定的模擬能力[4，14－15]。

通過風(fēng)電場(chǎng)1∶10000和1∶50000地形資料、GLC 30粗糙度數(shù)據(jù)、各機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)以及風(fēng)電機(jī)組布置圖，采用Windsim對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行建模。Windsim設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)核心區(qū)域水平網(wǎng)格分辨率為25 m×25 m，垂直方向上的網(wǎng)格從地面到150 m共分為10層，150 m到邊界層為10層。

從地形上看，該風(fēng)電場(chǎng)屬于隆升的地形，風(fēng)電場(chǎng)盛行風(fēng)向SW和SSW吹過山脊時(shí)，山底的風(fēng)速較小，山頂?shù)娘L(fēng)速最大，半山坡風(fēng)速位于中間，但由于受地形影響，山頂、山底和半山腰的風(fēng)速均不可能代表整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際風(fēng)速。因此，應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際地形地貌、風(fēng)機(jī)布置等情況，合理布設(shè)測(cè)風(fēng)塔。為了能夠進(jìn)一步分析風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔代表性對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估及發(fā)電量的影響，本次采用不同方案對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估和風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量差異分析。

根據(jù)地形特征相似和測(cè)風(fēng)塔代表區(qū)域控制半徑范圍原則，M1～M5機(jī)位位于同一山脊上且高程變化不大，選取M4機(jī)位點(diǎn)作為該區(qū)域代表測(cè)風(fēng)點(diǎn);M6～M8位于主山脊的一個(gè)分支山脊上且高程變化不大，選取M7機(jī)位點(diǎn)作為該區(qū)域的代表測(cè)風(fēng)點(diǎn);M9～M20位于同一山脊且高程變化相對(duì)不大，選取M15機(jī)位點(diǎn)作為該區(qū)域的代表測(cè)風(fēng)點(diǎn);M21～M33位于同一山脊，海拔逐漸降低且變化較大，根據(jù)地形相似原則，選取M21～M25和M26～M33兩段，其中M21～M25選取M23機(jī)位點(diǎn)作為該區(qū)域的代表測(cè)風(fēng)點(diǎn);M26～M33選取M30機(jī)位點(diǎn)作為該區(qū)域的代表測(cè)風(fēng)點(diǎn)。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)機(jī)點(diǎn)位高程

擬定方案1:輸入所有已運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(M1～M33)SCADA數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估分析。

擬定方案2:僅輸入海拔較高的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(M5)SCADA數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估分析。

擬定方案3:僅輸入海拔較低的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(M33)SCADA數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估分析。

擬定方案4:僅輸入平均海拔的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(M15)SCADA數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估分析。

擬定方案5:輸入代表性測(cè)風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(M4、M7、M15、M23和M30)SCADA數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估分析。

2.3 測(cè)風(fēng)塔代表性對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估影響對(duì)比分析

2.3.1 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分布 方案1由所有風(fēng)電機(jī)組(M1～M33)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估，因此方案1基本可以客觀準(zhǔn)確地評(píng)估整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源分布情況。由方案1風(fēng)能資源分布圖可以看出，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)能資源好的區(qū)域位于風(fēng)電場(chǎng)兩條主山脊的高海拔區(qū)域，風(fēng)速基本隨海拔高度的增加而逐漸增大，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)機(jī)點(diǎn)位風(fēng)速最高值位于M21風(fēng)機(jī)處，風(fēng)機(jī)點(diǎn)位風(fēng)速最低值位于M33風(fēng)機(jī)處;風(fēng)電場(chǎng)M6～M8所在區(qū)域海拔較高，但是實(shí)際風(fēng)速遠(yuǎn)低于M1～M5風(fēng)電點(diǎn)位的風(fēng)速，經(jīng)分析主要是由于M6～M8風(fēng)機(jī)機(jī)位所在的分支山脊受到主風(fēng)向上較高山脊的遮擋效應(yīng)引起的;M9～M20和M21～M33風(fēng)機(jī)點(diǎn)位海拔基本呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)，與此同時(shí)風(fēng)機(jī)所在點(diǎn)位風(fēng)能資源也呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖3 方案1風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分布圖

2.3.2 不同方案下風(fēng)能資源分布對(duì)比分析 圖4為不同方案下風(fēng)能資源分布圖，為能夠清晰對(duì)比，本文將4種方案的風(fēng)能資源圖譜的色帶圖例調(diào)為一致。由圖4可知:不同方案推算模擬的風(fēng)能資源隨海拔變化趨勢(shì)基本一致，海拔較高的區(qū)域風(fēng)速較高，海拔較低的區(qū)域風(fēng)速較低;方案2和方案3所在測(cè)風(fēng)塔位于相同山脊，但是由于所輸入測(cè)風(fēng)塔所在的海拔差異較大，模擬的風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)能資源差異很大，方案3所模擬的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源嚴(yán)重偏低，方案2模擬的風(fēng)能資源較實(shí)際值偏高，且對(duì)M6～M8分支山脊的風(fēng)能資源明顯高估，誤差較大;方案4所在測(cè)風(fēng)塔位于下風(fēng)向的另一山脊上，雖能夠較好地評(píng)估測(cè)風(fēng)塔所在區(qū)域的風(fēng)能資源，但對(duì)左側(cè)上風(fēng)向山脊風(fēng)能資源的模擬明顯偏高;方案5則考慮地形因素、測(cè)風(fēng)塔代表區(qū)域控制范圍以及分支山脊受遮擋影響而采用5座測(cè)風(fēng)塔評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源，經(jīng)分析，方案5基本能夠代表風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源的分布情況。

圖4 不同方案風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源分布圖

2.3.3 不同方案下發(fā)電量對(duì)比分析 通過不同方案計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)可利用小時(shí)數(shù)和各風(fēng)電點(diǎn)位風(fēng)速，具體計(jì)算結(jié)果見表1。方案1是根據(jù)所有風(fēng)機(jī)點(diǎn)位風(fēng)速推算實(shí)際風(fēng)電點(diǎn)位處的發(fā)電量，經(jīng)核實(shí)與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相差不大。

表1 不同方案下風(fēng)速和可利用小時(shí)數(shù)推算結(jié)果及誤差分析

由表1可以看出，采用方案1推算出的風(fēng)電場(chǎng)年可利用小時(shí)數(shù)為2 183.4 h，33臺(tái)機(jī)位平均風(fēng)速為5.05 m/s;方案2中推算的機(jī)位平均風(fēng)速和發(fā)電量結(jié)果均高于方案1，其中風(fēng)速偏高9.9%，可利用小時(shí)數(shù)偏高19.6%;方案3推算的平均風(fēng)速和發(fā)電量結(jié)果遠(yuǎn)低于實(shí)際運(yùn)行情況，其中風(fēng)速偏低－27.1%，可利用小時(shí)數(shù)偏低－62.2%;方案4推算的平均風(fēng)速和發(fā)電量結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果差別也較大，其中風(fēng)速偏高41.0%，可利用小時(shí)數(shù)偏低53.1%;方案5根據(jù)地形特征相似和測(cè)風(fēng)塔代表區(qū)域控制半徑范圍原則，采用代表性測(cè)風(fēng)點(diǎn)可以較好地控制風(fēng)電場(chǎng)平均風(fēng)速和可利用小時(shí)數(shù)的推算誤差。

3 結(jié)論

風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量的大小直接關(guān)系到風(fēng)電場(chǎng)的收益水平和投資風(fēng)險(xiǎn)，影響著項(xiàng)目的整體決策。本文通過對(duì)西南已運(yùn)行某復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)的SCADA數(shù)據(jù)分析測(cè)風(fēng)塔對(duì)風(fēng)能資源評(píng)估分析可以得出以下結(jié)論。

1)復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)由于地形條件復(fù)雜，為了能夠準(zhǔn)確模擬風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域風(fēng)能資源分布，降低風(fēng)能資源評(píng)估的不確定性，降低項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)風(fēng)塔布設(shè)應(yīng)綜合考慮地形、海拔、測(cè)風(fēng)塔控制距離范圍、主風(fēng)向以及遮擋效應(yīng)等因素，合理布設(shè)代表性測(cè)風(fēng)塔。

2)復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔與機(jī)位點(diǎn)的海拔高度差宜控制在100 m以內(nèi);對(duì)于地形較為復(fù)雜的風(fēng)電場(chǎng)，測(cè)風(fēng)塔代表區(qū)域半徑一般不宜超過2 km;山脊較為平坦且高差變化相對(duì)較緩的風(fēng)電場(chǎng)，測(cè)風(fēng)塔控制半徑不宜超過3 km;對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)部分受微地形和遮擋影響的區(qū)域，還應(yīng)加密布設(shè)測(cè)風(fēng)塔。

3)一般而言，風(fēng)速隨海拔高度的增加逐漸增大，但復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)由于地形條件復(fù)雜，部分區(qū)域受地形原因，風(fēng)速可能會(huì)隨海拔高度的增加而減小;測(cè)風(fēng)塔應(yīng)選擇在風(fēng)電場(chǎng)主風(fēng)向的上風(fēng)向位置，測(cè)風(fēng)塔位于下風(fēng)向，很可能會(huì)出現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量高估的現(xiàn)象;測(cè)風(fēng)塔位置宜避開場(chǎng)址最高、最低以及其它與風(fēng)電場(chǎng)主要地形、地貌或障礙物特征差異較大的地點(diǎn)。

4)對(duì)于復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)而言，風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)的投資占建設(shè)總投資的比例很小，但對(duì)降低項(xiàng)目的開發(fā)投資風(fēng)險(xiǎn)具有重大的作用，因此，前期風(fēng)電場(chǎng)的測(cè)風(fēng)應(yīng)引起足夠的重視。