風電場設(shè)計優(yōu)化及性能評估
——以哈薩克斯坦為例

徐中偉XU Zhong-wei

（中國電建集團海外投資有限公司，北京 100000）

1 風電場設(shè)計

1.1 風能資源評估

1.1.1 數(shù)據(jù)收集與處理

聯(lián)系哈薩克斯坦氣象部門或相關(guān)機構(gòu)，獲取各地氣象站的觀測記錄。包括每小時或每日的風速、風向等數(shù)據(jù)。整理和歸檔觀測記錄，并按時間序列整合成一個全面的數(shù)據(jù)集。對觀測數(shù)據(jù)進行異常值檢測和處理，采用統(tǒng)計分析方法排除異常值，確保數(shù)據(jù)準確性。檢查觀測數(shù)據(jù)中是否存在缺失值，如果有，可使用插值方法填補缺失值，以保證數(shù)據(jù)完整性。根據(jù)需求，進行進一步的預(yù)處理，如計算平均風速和風向，或按月、季度或年份匯總數(shù)據(jù)。

1.1.2 風速頻率分布分析

根據(jù)實際情況和需求，對氣象數(shù)據(jù)按時間序列進行整理和排序。使用等寬或等深劃分將風速分為不同區(qū)間（如0-2m/s、2-4m/s、4-6m/s）。計算每個區(qū)間的頻數(shù)或頻率，代表風速出現(xiàn)次數(shù)及相對概率。通過除以區(qū)間寬度，得到不同區(qū)間的概率密度函數(shù)，表示單位風速范圍內(nèi)的風速概率。利用頻數(shù)、頻率或概率密度函數(shù)，繪制風速頻率分布曲線或直方圖。頻率分布曲線連接各區(qū)間頻率點，展示不同風速的頻率。直方圖則以矩形條表示不同風速區(qū)間的頻率，描述風速概率密度。

1.1.3 風向頻率分布分析

根據(jù)實際情況和需求，對氣象數(shù)據(jù)按時間序列進行整理和排序。使用等寬或等深劃分將風向分為不同區(qū)間（如0-45°、45-90°、90-135°）。計算每個區(qū)間的頻數(shù)或頻率，代表風向出現(xiàn)次數(shù)及相對概率。通過除以區(qū)間寬度，得到不同區(qū)間的概率密度函數(shù)，表示單位風向范圍內(nèi)的風向概率。利用頻數(shù)、頻率或概率密度函數(shù)，繪制風向頻率分布圖。風向頻率分布圖以扇形大小或顏色深淺表示不同風向的頻率和概率。

1.2 風機選擇與布局

1.2.1 風機類型和參數(shù)選擇

考慮哈薩克斯坦的氣候條件、地形特點等因素，選擇適合的風機類型，如水平軸風機或垂直軸風機；根據(jù)風能資源評估結(jié)果和風機廠商提供的技術(shù)參數(shù)，確定風機的額定功率、切入風速、切出風速等關(guān)鍵參數(shù)。

1.2.2 風機布局優(yōu)化

考慮哈薩克斯坦風電場的地理特點、用地條件、環(huán)境保護等因素，進行風機布局的優(yōu)化設(shè)計；采用專業(yè)軟件或算法，結(jié)合風能資源評估數(shù)據(jù)、地形地貌信息等，進行最佳位置的選取和布局方案的優(yōu)化；考慮風機之間的最小間距、相互遮擋的影響，以及輸電線路和變電站的布置情況。

1.3 基于地理信息系統(tǒng)的選址分析

1.3.1 風能資源評估

通過獲取風速、風向等氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合地形地貌和植被覆蓋等因素，在GIS 中建立風能資源分布模型。通過空間插值和統(tǒng)計分析，評估潛在風能資源分布情況，找到適合建設(shè)風電場的地點。

1.3.2 土地利用分析

利用GIS 中的土地利用數(shù)據(jù)和遙感影像，分析不同區(qū)域的土地類型、土壤質(zhì)量、地形條件等，并結(jié)合法規(guī)和環(huán)保要求，評估各個潛在選址的可行性和適宜性。

1.3.3 環(huán)境影響評估

借助GIS 工具，將風電場選址與環(huán)境要素（例如水源、野生動植物棲息地、受保護區(qū)等）進行空間疊加分析。評估選址對環(huán)境的影響程度，提前發(fā)現(xiàn)潛在的環(huán)境問題，并制定相應(yīng)的環(huán)境管理和保護措施。

1.3.4 基礎(chǔ)設(shè)施評估

利用GIS 中的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，如道路、電網(wǎng)、變電站等，進行選址分析。找到與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施相連通的地點，以減少建設(shè)成本和提高風電場的可持續(xù)性。

1.3.5 社會經(jīng)濟評估

通過GIS 中的人口數(shù)據(jù)、用電負荷數(shù)據(jù)等，對不同選址對當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的影響進行評估?？紤]用電需求、就業(yè)機會、經(jīng)濟效益等因素，選擇對當?shù)厣鐓^(qū)和經(jīng)濟有積極影響的選址。

1.4 輸電系統(tǒng)設(shè)計

1.4.1 輸電線路選址

考慮風電場的地理布局、周邊環(huán)境和用電負荷等因素，確定輸電線路的走向和選址；考慮地形地貌、交通條件、土地使用等因素，選擇最佳的線路走廊；進行輸電線路的環(huán)境影響評估，確保符合相關(guān)法規(guī)和標準。

1.4.2 變電站設(shè)計

根據(jù)風電場的規(guī)模和發(fā)電功率，確定變電站的額定容量和配置；考慮輸電線路的接入方式和變電站的布置，確定變電站的位置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)；設(shè)計并選擇適當?shù)淖儔浩?、開關(guān)設(shè)備和保護裝置，確保變電站的安全和可靠運行。

2 風電場性能評估

2.1 發(fā)電量預(yù)測模型

2.1.1 基于統(tǒng)計方法的發(fā)電量預(yù)測模型

收集歷史風能資源和實際發(fā)電量數(shù)據(jù)，進行相關(guān)性分析；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型，例如回歸模型、時間序列模型等，來預(yù)測未來的發(fā)電量；考慮季節(jié)性、周期性和趨勢性等因素，對模型進行調(diào)整和優(yōu)化。

2.1.2 基于機器學習方法的發(fā)電量預(yù)測模型

收集大量的歷史風能資源和實際發(fā)電量數(shù)據(jù)，構(gòu)建訓練集和測試集；使用機器學習算法，如決策樹、支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，對數(shù)據(jù)進行訓練和建模；通過優(yōu)化算法和交叉驗證，選擇最佳的模型參數(shù)和特征組合；使用訓練好的模型對未來的風能資源進行預(yù)測，進而預(yù)測發(fā)電量。

2.2 運行數(shù)據(jù)分析

2.2.1 發(fā)電量實際測量分析

收集并整理風電場的實際發(fā)電量數(shù)據(jù)，包括日、月、年發(fā)電量等；進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，例如計算平均發(fā)電量、最大發(fā)電量、發(fā)電量變化趨勢等；比較實際發(fā)電量與預(yù)測值之間的差異，并分析造成差異的原因。

2.2.2 故障數(shù)據(jù)分析

收集并整理風電機組的故障數(shù)據(jù)，包括故障類型、故障發(fā)生時間、維修時間等；對故障數(shù)據(jù)進行分類和統(tǒng)計，了解不同類型故障的頻率和影響程度；分析故障數(shù)據(jù)的時序性和空間分布，找出故障的主要原因和規(guī)律；基于故障數(shù)據(jù)，提出相應(yīng)的維護策略和改進措施，以提高風電場的可靠性和運行效率。

2.3 風電場性能評估指標

2.3.1 容量因子

容量因子是指實際發(fā)電量與理論最大發(fā)電量之比，表示風電場的發(fā)電效率，容量因子越高，說明風電場的利用率越高。

計算公式：容量因子=實際發(fā)電量/（裝機容量*8760）

2.3.2 利用小時數(shù)

利用小時數(shù)是指風電場實際發(fā)電的小時數(shù)，表示風電場的運行時間和發(fā)電能力，利用小時數(shù)越高，說明風電場的運行時間越長、發(fā)電能力越強。

計算公式：利用小時數(shù)=實際發(fā)電量/裝機容量

2.3.3 故障率

故障率是指風電機組出現(xiàn)故障的頻率，表示風電場的可靠性和穩(wěn)定性，故障率越低，說明風電機組的可靠性和穩(wěn)定性越高。

計算公式：故障率=（故障次數(shù)/運行小時數(shù)）*100%

3 哈薩克斯坦風電場案例分析

3.1 哈薩克斯坦環(huán)境資源評估及前景分析

哈薩克斯坦電廠63 個，總裝機容量為21.7 吉瓦（可用容量18.7 吉瓦）。包括：15 個水電站和45 個火電站。2017 年發(fā)電量達1020 億度，比2016 年多9%。其中火電站為910 億度；水電100 億度，新能源11 億度電。哈薩克斯坦分成北部、南部和西部三個區(qū)。北方地區(qū)在能源生產(chǎn)和消費上占絕對優(yōu)勢，占有哈薩克斯坦70%以上的發(fā)電能力，擁有多余的能源供應(yīng)。在南部區(qū)能源不平衡，有最大的短缺，從北部區(qū)域和從相鄰的吉爾吉斯斯坦和烏茲別克斯坦進口部分電力。阿拉木圖地區(qū)是典型的缺電地區(qū)，電力需求量每年增加10%左右，是哈全國電力年需求增量（5%-6%）的兩倍。

2017 年電力消耗為970 億度電。在電力消費結(jié)構(gòu)中，制造業(yè)一直占有長期穩(wěn)定的份額，占總消費結(jié)構(gòu)70%-72%。28%以上由10 個冶金企業(yè)消耗，他們?nèi)课挥诠_克斯坦共和國北部。

哈薩克斯坦水能、太陽能、風能以及地熱能等可再生能源資源豐富。2014 年至今，哈薩克斯坦可再生能源裝機逐步增加，裝機增速位列獨聯(lián)體國家第五。哈薩克斯坦風電潛在產(chǎn)能高達每年18.20 億千瓦時，開發(fā)潛力巨大。風電潛在開發(fā)地區(qū)主要集中在哈薩克斯坦境內(nèi)東南部阿拉木圖、江布爾兩州，以及北部的阿克莫拉州。哈薩克斯坦可再生能源裝機絕大多數(shù)源于風電，有超過5 萬平方公里的平原土地，其平均風速超過7 米/秒，風力發(fā)電自然條件突出。年均光照時長可達2200 至3000 小時，光照強度為年均每平米1300 千瓦時至1800 千瓦時。

3.2 哈薩克斯坦風機選擇與布局

哈薩克目前風電項目較多，其中Ermentay-45MW 項目，使用機組FWT93/2.05-85m，距離阿斯塔納160km，位于阿克瑪琳斯克州，業(yè)主為薩姆魯克第一風電公司，由Kozna 基金投資建設(shè)；ЦАТЭК-50MW 項目，使用Vestas112/3.3-84m，距離阿斯塔納東40km 處；Shelec-5MW 項目，施工Goldwind109/2.5-90m，項目位于阿拉木圖東180km 處；Badamsha-50MW 項目，使用GE130/3.8-85m 機組，Eni（持股50%）公司АО"НК"Казмунайгаз"（持股50%），項目位于阿克糾賓州Badamsha 附近；2018 年以來，中資企業(yè)將注意力轉(zhuǎn)移到中亞俄語區(qū)市場，其中中電國際在江布爾州投資Zhanatas-100MW 項目，寰泰能源投資Kestany-50MW 風電項目。

3.3 可行性分析

本項目位于哈薩克斯坦境內(nèi)距離阿拉木圖約165km，項目地坐標為東經(jīng)78.743563°，北緯43.711936°，海拔542m，通過對擬建風電場內(nèi)的測風塔數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，測風塔85.6m 高度平均風速和風功率密度分別為8.06m/s和590W/m2；84m 高度平均風速和風功率密度分別為8.03m/s 和585W/m2；64.9m 高度平均風速和風功率密度分別為7.65m/s 和501W/m2；40m 高度平均風速和風功率密度分別為6.97m/s 和381W/m2，90m 高度下的擬合平均風速和風功率密度分別為8.15m/s 和611W/m2本風電場風能資源較豐富，具有很好開發(fā)價值。

擬建設(shè)規(guī)模為50MW 風場，計劃采用2.5MW 風機，90m 高，共計20 臺。本項目所在地地勢平坦、開闊，地勢坡度較小，地表覆蓋著茂密的草皮以及少量灌木，表層屬于沙黏土地質(zhì)，施工條件良好。目前所在地為荒地，征地采用片征的方式，滿足風機點位及道路用地需求，詳見圖1。

圖1 項目布局圖

緊鄰項目所在地場址北側(cè)有10kV 配電線路，施工用電可從10kV 配電網(wǎng)引接，需要申請相關(guān)手續(xù)。施工及生活用水可以考慮打井取水，但是井水堿度過高，需要采用凈水機處理方可飲用，同時飲用水也可以從最近的小鎮(zhèn)Shelek 運水。該項目地旁有60MW 風電項目已經(jīng)完成施工并上網(wǎng)發(fā)電，擬計劃風機型號相同，且由于距離較近，地質(zhì)條件相近，相關(guān)設(shè)計及施工具備參考性。

3.4 哈薩克斯坦風電場設(shè)計存在的風險及解決方案

3.4.1 目前存在外線變更的問題

本項目目前仍存在電網(wǎng)接入方案變更的問題。計劃進行外線設(shè)計變更，從原本的方案17.8km 雙回110kV 架空線接至已有110kV 架空線路。預(yù)計更改為從我方新建升壓站先以6.5km 雙回架空引至附近60MW 風電項目，形成環(huán)網(wǎng)后，與該項目采用同塔雙回路送出，通過29km 同塔雙回路連接到Nura-110kV 變電站送出，目前暫無批復文件，后期存在外線變更可能性。

3.4.2 PSD 文件變更問題

本項目前期開發(fā)階段已使用本地設(shè)計院Energia 進行PSD 設(shè)計并提交當?shù)仉娋W(wǎng)公司審核，早期Energia 所做的PSD 設(shè)計中涉及大量本地設(shè)備品牌指定，現(xiàn)需要針對早期指定設(shè)備品牌、風機進行變更申請，同時進行已提交的設(shè)計文件修改，根據(jù)前期與Energia 設(shè)計院談判，現(xiàn)已明確設(shè)計更改流程及時間，并由對方負責設(shè)計部分本地修改內(nèi)容，確保變更時間在1 個月內(nèi)完成。

3.4.3 地震風險

根據(jù)地圖及哈薩克斯坦OSZ-2475 及OSZ22475 地區(qū)定義，該項目位于哈國地震頻發(fā)區(qū)（見圖2）。土建設(shè)計需考慮抗震因素。因此前期設(shè)計按照9 度抗震，地震加速度按0.4g 進行風機基礎(chǔ)設(shè)計，基礎(chǔ)設(shè)計圖通過原業(yè)主聘請的第三方設(shè)計院的復核，確認基礎(chǔ)大小足以滿足該地區(qū)的地震烈度要求。后期仍需當?shù)卦O(shè)計院的校核。

圖2 哈薩克斯坦地震分布圖