基于Greenwich云平臺(tái)的風(fēng)電場(chǎng)前期規(guī)劃研究

摘 要：針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)前期規(guī)劃時(shí)資料收集困難等情況，提出一種利用Greenwich云平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃階段宏觀、微觀選址的方法。首先，利用Greenwich云平臺(tái)對(duì)擬布置風(fēng)機(jī)區(qū)域進(jìn)行資源分析，通過(guò)建立虛擬測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)資源的中尺度數(shù)據(jù)提取，獲得其風(fēng)譜圖；其次，根據(jù)廠家提供的主機(jī)功率特性擬合出功率曲線導(dǎo)入平臺(tái)，并在擬規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行風(fēng)機(jī)模擬優(yōu)選布置；然后，將布置結(jié)果導(dǎo)入衛(wèi)星地圖中，按技術(shù)規(guī)范要求對(duì)風(fēng)機(jī)位置進(jìn)行調(diào)整；最后，將調(diào)整后的風(fēng)機(jī)位置導(dǎo)入平臺(tái)，進(jìn)行發(fā)電量測(cè)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果再次進(jìn)行調(diào)整。結(jié)果表明該方法能滿足風(fēng)電場(chǎng)選址前期規(guī)劃需求，具備一定的工程實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Greenwich云平臺(tái)；風(fēng)電場(chǎng)；前期規(guī)劃；宏觀選址；微觀選址

中圖分類號(hào)： TM614

1 引言

風(fēng)能是21世紀(jì)最具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的綠色清潔新能源之一，具備極大的開(kāi)發(fā)潛質(zhì)和商業(yè)價(jià)值[1]。為了改善能源結(jié)構(gòu)和控制氣候變暖，達(dá)到“碳達(dá)峰”“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)加大了新能源規(guī)劃建設(shè)力度，其中風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址選擇及其容量規(guī)劃更是重中之重[2]。但由于在前期規(guī)劃時(shí)，需要收集的資料非常龐雜，如全市的未利用土地、需要簽訂保密協(xié)議的三調(diào)文件和文物分布范圍等，使得收資極其困難。同時(shí)由于項(xiàng)目歸屬方不能確定，因此氣象局長(zhǎng)期測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的購(gòu)買對(duì)于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)方而言需要承擔(dān)一定經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。因此，簡(jiǎn)潔、投資小、準(zhǔn)確度較高的風(fēng)電場(chǎng)選址方式受到了研究者們的重視。

王丹和吳旭[3]通過(guò)將航天雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)（STRM）地形數(shù)據(jù)與美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為輸入條件導(dǎo)入Wasp8.3中，實(shí)現(xiàn)了選址地風(fēng)能資源的分布概況初步計(jì)算，并估算出了風(fēng)場(chǎng)前期發(fā)電量。徐璋等[4]提出用90 m分辨率的SRTM地形圖與實(shí)際氣象局測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)RIX分析法進(jìn)行誤差處理，可以實(shí)現(xiàn)Wasp對(duì)風(fēng)場(chǎng)微觀選址的優(yōu)化。劉東生等[5]用WT軟件對(duì)四川西南地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了風(fēng)機(jī)排布模擬，并給出了風(fēng)機(jī)選型的指導(dǎo)意見(jiàn)。但是，上述方法均存在操作步驟繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。更關(guān)鍵之處在于，居民區(qū)、村莊等需要避讓區(qū)域不能直觀的體現(xiàn)。

格林威冶（Greenwich）云平臺(tái)是一款遠(yuǎn)景能源公司開(kāi)發(fā)的集風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃、風(fēng)資源評(píng)估、設(shè)計(jì)優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的商業(yè)工具平臺(tái)[6]。

本研究以甘肅省秦安縣某鎮(zhèn)為例，提出一種用Greenwich云平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)前期規(guī)劃選址的方法。首先，通過(guò)平臺(tái)獲得擬建風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的風(fēng)資源分布圖，選出風(fēng)資源較高的區(qū)域，然后與政府文件進(jìn)行核對(duì)，去除掉生態(tài)紅線、基本農(nóng)田等不可用地，并獲得該地風(fēng)資源情況的中尺度數(shù)據(jù)；其次，在奧維地圖上根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)工程微觀選址技術(shù)規(guī)范》（NB/T 10103—2018）對(duì)平臺(tái)布置的風(fēng)機(jī)點(diǎn)位進(jìn)行人工調(diào)整，注意避讓村莊、道路等設(shè)施；最后，將調(diào)整后的機(jī)位導(dǎo)入Greenwich平臺(tái)中，并選擇好風(fēng)機(jī)類型，用Wasp Turbine Editor軟件生成風(fēng)機(jī)功率曲線，計(jì)算發(fā)電量，再根據(jù)尾流損失大小進(jìn)行風(fēng)機(jī)點(diǎn)位的二次調(diào)整。

2 宏觀選址

風(fēng)電場(chǎng)的宏觀選址是在結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源分布的情況下，綜合考慮電網(wǎng)接入、消納條件及建設(shè)條件等因素，并避讓該區(qū)域的生態(tài)紅線、基本農(nóng)田等不可利用區(qū)域，從而確定風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)地點(diǎn)的過(guò)程。

2.1 風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃區(qū)域的圈選

由于Greenwich云平臺(tái)最新更新中刪除了渲染圖功能，因此需要采用風(fēng)機(jī)初步布置的方法從而獲取風(fēng)資源分布圖。首先，在Greenwich云平臺(tái)中用搜索功能對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行定位；其次，進(jìn)行宏觀選址計(jì)算，其中風(fēng)機(jī)種類可以任意勾選，獲得風(fēng)機(jī)布置圖、容量、風(fēng)資源分布等文件；最后，根據(jù)風(fēng)資源分布圖，選擇風(fēng)資源較好的區(qū)域進(jìn)行圈選。如圖1所示。

將圈選的區(qū)域拐點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出，與當(dāng)?shù)氐耐恋貙傩?、生態(tài)紅線、壓覆礦情況等文件對(duì)照，去除掉不可利用的范圍，剩下的區(qū)域作為規(guī)劃階段的風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域。

2.2 風(fēng)譜圖的建立

風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)之前需要在廠址處安裝測(cè)風(fēng)塔，記錄至少一個(gè)完整年的風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)。在做風(fēng)場(chǎng)前期規(guī)劃時(shí)，可以考慮立虛擬測(cè)風(fēng)塔進(jìn)行初步分析。目前主流風(fēng)機(jī)輪廓一般都大于80 m，因此可以選擇立80 m、90 m、100 m 3個(gè)高度的測(cè)風(fēng)塔。

虛擬測(cè)風(fēng)塔的位置需要對(duì)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位有較好的代表性，應(yīng)參考風(fēng)機(jī)初步排布的位置進(jìn)行布置。一般來(lái)說(shuō)，平原風(fēng)電場(chǎng)在中央位置處安放測(cè)風(fēng)塔。山地風(fēng)電場(chǎng)則十分復(fù)雜，對(duì)于規(guī)劃階段，可以按以下原則進(jìn)行布置：不超過(guò)50 MW的項(xiàng)目根據(jù)風(fēng)機(jī)初步排布的位置安裝1～3座測(cè)風(fēng)塔，超過(guò)50 MW的項(xiàng)目增加1～2座測(cè)風(fēng)塔。

建立虛擬測(cè)風(fēng)塔后，下載中尺度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)近20 a的平均風(fēng)速，選擇平風(fēng)年作為代表年，進(jìn)行風(fēng)功率及風(fēng)向分布頻率計(jì)算。中國(guó)氣象規(guī)范規(guī)定，風(fēng)向評(píng)估時(shí)東西南北需被細(xì)分為16個(gè)方向表示，風(fēng)場(chǎng)區(qū)域風(fēng)向玫瑰圖如圖2所示。

3 微觀選址

在初步確定風(fēng)場(chǎng)建設(shè)場(chǎng)址后，結(jié)合風(fēng)資源情況，充分考慮地形、地貌的影響，確定風(fēng)機(jī)組的微觀位置，進(jìn)而計(jì)算發(fā)電量，以此預(yù)估經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 風(fēng)機(jī)點(diǎn)位的確定

傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位選擇是根據(jù)從業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)選擇一些適合布置風(fēng)機(jī)組的位置。但對(duì)于規(guī)劃階段而言，“人力”成本過(guò)于高昂，因此可以根據(jù)Greenwich云平臺(tái)風(fēng)機(jī)自動(dòng)布置功能進(jìn)行布置。容量按平臺(tái)的推薦容量進(jìn)行選擇，同時(shí)為了盡可能多布置風(fēng)機(jī)，間距按照最小間距，即3倍直徑選擇。圖3為該平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)推算后的風(fēng)機(jī)布置圖。

從圖3可以看出，風(fēng)機(jī)點(diǎn)位均布置在了風(fēng)資源較好的區(qū)域，且根據(jù)布置的風(fēng)機(jī)類型可以算出，該風(fēng)場(chǎng)總?cè)萘繛?2 MW。規(guī)劃階段不需過(guò)于精確，可以將該數(shù)字進(jìn)行適當(dāng)放大，按50 MW進(jìn)行規(guī)劃。

Greenwich云平臺(tái)雖然能自動(dòng)將風(fēng)機(jī)布置在風(fēng)能較好的區(qū)域，但卻不能實(shí)現(xiàn)對(duì)村莊、公路等的自動(dòng)“避障”，因此需要人工進(jìn)行調(diào)整。將平臺(tái)所布風(fēng)機(jī)點(diǎn)位導(dǎo)出后輸入到奧維衛(wèi)星地圖中，然后根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)工程微觀選址技術(shù)規(guī)范》（NB/T 10103—2018）的要求，對(duì)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整，避讓衛(wèi)星地圖中的可見(jiàn)房屋、道路、已建項(xiàng)目等，同時(shí)應(yīng)注意在主風(fēng)向上風(fēng)機(jī)間距要為5～7倍風(fēng)輪直徑，在垂直主風(fēng)向上風(fēng)機(jī)間距要為3～5倍風(fēng)輪直徑，圖4為經(jīng)過(guò)調(diào)整后的風(fēng)機(jī)點(diǎn)位。

3.2 機(jī)型的確定

風(fēng)機(jī)組的選型需要符合《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 安全要求》（GB 18451.1—2001），并且在道路及施工條件允許的情況下，盡可能選擇單機(jī)容量大的發(fā)電機(jī)組[7]。現(xiàn)在主流風(fēng)機(jī)廠家所生產(chǎn)的主流機(jī)型均有符合各類安全標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，且?guī)缀醵加锌紤]到極端情況下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如風(fēng)速大于70 m/s。在規(guī)劃階段，可以參考Greenwich云平臺(tái)推薦機(jī)組容量及葉輪直徑，本項(xiàng)目平臺(tái)所布主要風(fēng)機(jī)型號(hào)為EN-156/3.3，經(jīng)過(guò)綜合考慮，選擇金風(fēng)的GW-165/4.0機(jī)型。表1給出了該風(fēng)機(jī)的輸出功率值。

Wasp Turbine Editor軟件可以根據(jù)不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的功率特征及推力系數(shù)進(jìn)行擬合，擬合后的特性曲線如圖5所示。

4 發(fā)電量的計(jì)算

利用風(fēng)機(jī)功率曲線就可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Greenwich云平臺(tái)，然后根據(jù)布置圖和風(fēng)機(jī)類型進(jìn)行發(fā)電量的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中可以看出，該規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量為78 954.7 MWh，并同時(shí)計(jì)算得到年利用小時(shí)數(shù)為1 409.9 h。

《風(fēng)電場(chǎng)工程微觀選址技術(shù)規(guī)范》（NB/T 10103—2018）要求，風(fēng)機(jī)組整體尾流損失需小于8%，單臺(tái)風(fēng)機(jī)尾流損失需小于15%。但在實(shí)際工程中，要求單機(jī)尾流小于12%。從表2中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)01風(fēng)機(jī)尾流大于規(guī)范要求，不符合規(guī)定，因此予以刪除；F05雖然尾流損失在規(guī)定范圍內(nèi)，但仍然偏大，不過(guò)考慮到是規(guī)劃階段予以保留，在后期進(jìn)行可研或者初設(shè)階段的微觀選址時(shí)該點(diǎn)位還需進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)論

本研究提出了一種利用Greenwich云平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)前期規(guī)劃的方法。首先，利用平臺(tái)自動(dòng)布置風(fēng)機(jī)組的功能獲得擬建風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的風(fēng)資源分布圖，圈選風(fēng)資源較高的區(qū)域作為備選場(chǎng)地，并與當(dāng)?shù)貒?guó)土局等部門核對(duì)，去除掉生態(tài)紅線、基本農(nóng)田等不可用地，即可得到風(fēng)電場(chǎng)初步規(guī)劃區(qū)域，并導(dǎo)出風(fēng)速風(fēng)向的中尺度文件；其次，在奧維地圖上根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)平臺(tái)初步布置的風(fēng)機(jī)點(diǎn)位進(jìn)行人工調(diào)整，注意避讓村莊、道路等設(shè)施；最后，將調(diào)整后的機(jī)位導(dǎo)入Greenwich平臺(tái)中，并用Wasp Turbine Editor軟件生成風(fēng)機(jī)功率曲線，計(jì)算發(fā)電量，再根據(jù)尾流損失大小進(jìn)行風(fēng)機(jī)點(diǎn)位的二次調(diào)整。

當(dāng)需要規(guī)劃的地區(qū)不能完全確定，且資料不齊全、時(shí)間較為緊迫時(shí)，該方法可以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的宏、微觀選址進(jìn)行快速圈定，并計(jì)算出大致發(fā)電量，滿足風(fēng)電場(chǎng)前期規(guī)劃的需求，大大簡(jiǎn)化過(guò)程，具備一定的工程價(jià)值。但需要指出的是，由于風(fēng)資源的不確定性以及地理環(huán)境的復(fù)雜性，如果要進(jìn)行精確的選址及發(fā)電量計(jì)算，還是必須要有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

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