復(fù)雜地形條件下的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)機(jī)位布置研究

張 升，孫江平

（1.國(guó)家核電山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013；2.華東電力設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013）

復(fù)雜地形條件下的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)機(jī)位布置研究

張 升1，孫江平2

（1.國(guó)家核電山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013；2.華東電力設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013）

簡(jiǎn)要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)位布置的影響因素，同時(shí)以大唐黃島風(fēng)電場(chǎng)工程設(shè)計(jì)為例，提出了一種復(fù)雜地形條件下實(shí)用的風(fēng)機(jī)機(jī)位布置方法。針對(duì)復(fù)雜地形條件下風(fēng)機(jī)的布置，采用風(fēng)圖譜分析和應(yīng)用軟件(WASP)，通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源和地形的分析研究，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)機(jī)位的優(yōu)化布置，提高風(fēng)機(jī)的效率。

風(fēng)電場(chǎng)；復(fù)雜地形；機(jī)位布置；WASP

0 引言

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)在一般地形區(qū)域如海上、草原等平坦地勢(shì)布置時(shí)，氣流擾動(dòng)規(guī)律性較強(qiáng)，但在復(fù)雜地形條件如山區(qū)、丘陵地帶，地形變化較大，氣流在風(fēng)電機(jī)葉片、山峰、溝谷、樹木等諸多因素的影響下，氣流變化非常復(fù)雜。風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)過程中，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)位布置是影響風(fēng)機(jī)效率和風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量的重要因素，為了更充分的利用風(fēng)能資源，提高風(fēng)電機(jī)組的負(fù)荷率。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)有關(guān)風(fēng)能資料、地形條件予以優(yōu)化［1］。

應(yīng)用丹麥實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Riso WASP風(fēng)圖譜分析和應(yīng)用軟件，針對(duì)大唐黃島風(fēng)電場(chǎng)工程中遇到的風(fēng)機(jī)機(jī)位布置問題，提出了一種實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。該方法應(yīng)用WASP軟件繪制出風(fēng)能資源分布圖，通過分析風(fēng)場(chǎng)各個(gè)區(qū)域地形走勢(shì)和風(fēng)資源密度，選擇風(fēng)機(jī)落點(diǎn)。通過分析對(duì)比多個(gè)備選風(fēng)機(jī)落點(diǎn)年上網(wǎng)發(fā)電量，確定了風(fēng)機(jī)最終落點(diǎn)。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)位布置影響因素

在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)一個(gè)較大地區(qū)的風(fēng)力資源、湍流強(qiáng)度、電網(wǎng)接入、交通、地質(zhì)情況等多種因素進(jìn)行綜合考察，確定出風(fēng)電場(chǎng)的位置。

在海上、草原等平坦區(qū)域，風(fēng)能資源在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的分布幾乎沒有變化。而在山區(qū)、丘陵等區(qū)域，由于地形變化較大，風(fēng)電場(chǎng)中各個(gè)區(qū)域風(fēng)能資源分布不均。風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)能分布情況除受到地面粗糙度、風(fēng)機(jī)尾流、障礙物的影響外，還會(huì)受到地形變化、季節(jié)風(fēng)、溝谷風(fēng)等的影響，其中最主要的是風(fēng)機(jī)機(jī)位海拔高度變化的影響。海拔高度變化是復(fù)雜地形條件下風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)能分布最主要的影響因素。同時(shí)，地形變化形成的山脊、河谷、盆地等地貌形式，造成的迎風(fēng)面、背風(fēng)面、峽谷效應(yīng)等情況，造成風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各處風(fēng)速與風(fēng)向變化大，因此，在風(fēng)機(jī)機(jī)位布置時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況綜合考慮［2］。

山地等復(fù)雜地形條件下風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)布置中，在風(fēng)機(jī)布置間距滿足風(fēng)機(jī)尾流要求的前提下，應(yīng)充分考慮地形對(duì)風(fēng)資源的影響，結(jié)合場(chǎng)址的大小和地形特征，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能分布進(jìn)行深入的分析和研究，最終確定風(fēng)機(jī)的機(jī)位布置［3］。

2WASP軟件介紹

目前，風(fēng)能資源的評(píng)估主要是借助認(rèn)可的商業(yè)化專業(yè)軟件來完成的，例如WASP，Wind Farmer，Wind Pro等。其中，風(fēng)圖譜分析及應(yīng)用軟件WASP是用于風(fēng)電場(chǎng)微觀選址的常用的資源分析工具軟件［4］。

WASP應(yīng)用軟件，是丹麥Riso國(guó)家實(shí)驗(yàn)室氣象和風(fēng)能部開發(fā)出來的，其主要功能是對(duì)某地的風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估，WASP應(yīng)用軟件已成為風(fēng)能領(lǐng)域工作者不可缺少的工具之一［5］。

WASP軟件的主要計(jì)算模塊包括原始風(fēng)數(shù)據(jù)分析模塊，風(fēng)圖譜生成模塊，風(fēng)況特征估算模塊，理論年發(fā)電量估算模塊。應(yīng)用WASP軟件，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的核心計(jì)算流程包括：生成該地區(qū)風(fēng)圖譜的過程；獲得風(fēng)電場(chǎng)中特定點(diǎn)風(fēng)況特征的過程。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化布置實(shí)例

3.1 大唐黃島風(fēng)電場(chǎng)工程概況

黃島區(qū)位于山東半島膠州灣南口西海岸。地處東經(jīng)120°02′至120°18′，北緯35°52′至36°02′。東與青島市市南區(qū)隔海相望，南瀕黃海，北、西皆與膠南縣接壤，具有良好的風(fēng)能資源。

擬建中的大唐黃島風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為27 MW，預(yù)計(jì)安裝單機(jī)容量1 500 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)18臺(tái)，預(yù)計(jì)年發(fā)電量約為9 597萬kW·h。

3.2 風(fēng)資源分析

利用WASP軟件對(duì)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)向玫瑰圖，如圖1所示。

圖1 風(fēng)資源風(fēng)向玫瑰圖

由圖 1可以看出，該風(fēng)場(chǎng)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)?S、SSW，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹、NNW。主導(dǎo)風(fēng)向和次主導(dǎo)風(fēng)向基本在一條直線上，有利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的布置，風(fēng)電機(jī)組的有效利用率較高。為使風(fēng)電機(jī)組獲得最大風(fēng)能，在理論上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按垂直于NS方向成排布置。

3.3 風(fēng)功率密度計(jì)算

將勘測(cè)所得的地形圖進(jìn)行矢量化，得到如圖2所示的矢量圖。

圖2 矢量化后的地形圖

將矢量化后的地形圖輸入WASP軟件，通過軟件計(jì)算，風(fēng)功率密度分布圖，如圖3所示。

圖3 風(fēng)功率密度分布圖

由圖3可以看出，風(fēng)功率密度隨山體地勢(shì)起伏變化，海拔高度越高的地方風(fēng)功率密度越高，最高點(diǎn)高達(dá)870 W/m2，海拔高度低的地方風(fēng)功率密度僅有68 W/m2。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的布置點(diǎn)優(yōu)先考慮布置在風(fēng)功率密度高的地方，但同時(shí)還需要考慮風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期間大型機(jī)械設(shè)備和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)輸問題。

綜合考慮投資造價(jià)、經(jīng)濟(jì)回報(bào)和對(duì)原有地形環(huán)境保護(hù)的因素，選出了較為合適的18處風(fēng)力發(fā)電機(jī)布置。

該方案風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量及尾流影響結(jié)果見表1。

從表中數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，14號(hào)和17號(hào)風(fēng)機(jī)尾流較大，分別為10.63%和14.17%，大大影響了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率，需要局部調(diào)整對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

詳細(xì)地形圖如圖4所示，從圖中可以看出，17號(hào)風(fēng)機(jī)幾乎位于14號(hào)風(fēng)機(jī)正北方245 m，地形上17號(hào)風(fēng)機(jī)位于水庫(kù)南岸山谷北段，該處地形粗糙度變化較大，同時(shí)受東南側(cè)溝谷風(fēng)的影響。風(fēng)機(jī)排布位置上，17號(hào)風(fēng)機(jī)與14號(hào)風(fēng)機(jī)相互位于主導(dǎo)風(fēng)向S風(fēng)和次主導(dǎo)風(fēng)向N風(fēng)的正后方，夏季以南風(fēng)為主，17號(hào)風(fēng)機(jī)受14號(hào)風(fēng)機(jī)的尾流影響嚴(yán)重；冬季以北風(fēng)為主，14號(hào)風(fēng)機(jī)受17號(hào)風(fēng)機(jī)的尾流影響嚴(yán)重。兩臺(tái)風(fēng)機(jī)在沿主導(dǎo)風(fēng)向上距離相對(duì)太近，受季節(jié)風(fēng)影響導(dǎo)致尾流影響較大，影響了風(fēng)機(jī)的效率。

表1 發(fā)電量及尾流結(jié)果表

圖4 詳細(xì)地形圖

通過對(duì)地形圖的分析，嘗試將17號(hào)風(fēng)機(jī)向西北方向拉遠(yuǎn)，布置于水庫(kù)西南側(cè)，如圖5所示。

此時(shí)17號(hào)風(fēng)機(jī)和14號(hào)風(fēng)機(jī)間距352 m，發(fā)電量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表1、2及圖4、5對(duì)比可以看出，沿主導(dǎo)風(fēng)向隨風(fēng)機(jī)間距離拉遠(yuǎn)，尾流影響下降，14號(hào)風(fēng)機(jī)發(fā)電量上升，但17號(hào)風(fēng)機(jī)發(fā)電量降低，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)總發(fā)電量由7.624 GW·h變?yōu)?.373 GW·h。

原因分析：隨著兩臺(tái)風(fēng)機(jī)間距拉遠(yuǎn)，尾流影響減小，但17號(hào)風(fēng)機(jī)海拔高度也隨之降低，由原來的132 m降低到112 m，海拔降低，風(fēng)速降低，風(fēng)功率密度也隨之降低，故14號(hào)風(fēng)機(jī)雖然尾流降低、發(fā)電量升高，但兩臺(tái)風(fēng)機(jī)總發(fā)電量是降低的。

表2 17號(hào)風(fēng)機(jī)移動(dòng)到水庫(kù)西南側(cè)發(fā)電量結(jié)果表

再次將17號(hào)風(fēng)機(jī)進(jìn)一步拉遠(yuǎn)，布置到水庫(kù)西北角平地上，如圖6所示。

圖5 17號(hào)風(fēng)機(jī)移動(dòng)到水庫(kù)西南側(cè)

圖6 17號(hào)風(fēng)機(jī)移動(dòng)到水庫(kù)西北側(cè)

此時(shí)17號(hào)風(fēng)機(jī)和14號(hào)風(fēng)機(jī)間距486 m，發(fā)電量計(jì)算結(jié)果如表3所示。

對(duì)比表1、2、3及圖4、5、6可以看出，隨著14號(hào)風(fēng)機(jī)與17號(hào)風(fēng)機(jī)之間距離進(jìn)一步拉遠(yuǎn)，14號(hào)風(fēng)機(jī)尾流減小，發(fā)電量上升，17號(hào)風(fēng)機(jī)尾流也隨之降低，但17號(hào)風(fēng)機(jī)發(fā)電量下降。從表3中還可以看出，隨著17號(hào)風(fēng)機(jī)向北拉遠(yuǎn)，16號(hào)風(fēng)機(jī)的尾流由9.3%上升至10.5%。

表3 17號(hào)風(fēng)機(jī)移動(dòng)到水庫(kù)西北角發(fā)電量結(jié)果表

原因分析：17號(hào)風(fēng)機(jī)發(fā)電量繼續(xù)下降，再次驗(yàn)證了上次分析結(jié)果，海拔由112m繼續(xù)降低到100m，故風(fēng)功率密度繼續(xù)下降，導(dǎo)致發(fā)電量也隨之下降，雖然從風(fēng)機(jī)間距上壓低了尾流，但發(fā)電量急劇下降，從經(jīng)濟(jì)投資回報(bào)上來講是不合理的。同時(shí)，16號(hào)風(fēng)機(jī)尾流上升，發(fā)電量微降。

再次分析圖1發(fā)現(xiàn)，北風(fēng)中有占較大頻率的東北風(fēng)，隨著17號(hào)風(fēng)機(jī)向北拉遠(yuǎn)，17號(hào)風(fēng)機(jī)占據(jù)了東北風(fēng)吹向16號(hào)風(fēng)機(jī)的通道，故16號(hào)風(fēng)機(jī)有較大尾流，發(fā)電量下降。

從上面兩次移動(dòng)17號(hào)風(fēng)機(jī)可以看出：從初始的17號(hào)風(fēng)機(jī)位置到水庫(kù)西北方的位置，17號(hào)風(fēng)機(jī)與14號(hào)風(fēng)機(jī)相互影響減少，但總發(fā)電量減少。同時(shí)，17號(hào)風(fēng)機(jī)的新位置占據(jù)了16風(fēng)機(jī)東北風(fēng)通道，增加了16號(hào)風(fēng)機(jī)的尾流，使其發(fā)電量下降。

結(jié)合風(fēng)資源情況，重新分析一下原17號(hào)風(fēng)機(jī)周邊地形特點(diǎn)，詳見圖6。楔形水庫(kù)北段順著水庫(kù)走向延伸出一端西北—東南走向的山谷，南面是14、15號(hào)風(fēng)機(jī)所在的山峰，由風(fēng)向玫瑰圖看出，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹、S，另外加一定比例的NW、NE、SW，由該風(fēng)向頻率分布可以看出，該谷口地區(qū)利于風(fēng)能利用，南風(fēng)經(jīng)過14號(hào)、15號(hào)風(fēng)機(jī)后，經(jīng)過一定距離的延伸，尾流減小到一定程度，北風(fēng)從谷口吹過，一部分順山谷地形吹向東南，一部分向南沿山坡爬升至14、15號(hào)風(fēng)機(jī)位，對(duì)14、15號(hào)機(jī)位湍流強(qiáng)度有一定影響。由于山谷西北—東南走向，谷口東北和西南對(duì)14、15號(hào)風(fēng)機(jī)影響程度不一樣，谷口東北離14、15號(hào)風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)，相互尾流影響較小，故將17號(hào)風(fēng)機(jī)嘗試?yán)霉瓤跂|北的位置，那么這將拉近了與18號(hào)風(fēng)機(jī)的距離，會(huì)增加17號(hào)與18號(hào)風(fēng)機(jī)之間的影響。因此，必須將18號(hào)風(fēng)機(jī)向東北方向繼續(xù)移動(dòng)。觀察18號(hào)風(fēng)機(jī)移向地區(qū)的地形，發(fā)現(xiàn)此處恰巧有一與水庫(kù)北段山谷形狀、走向極為相似的小山谷，并且該小山谷的南面有一較大山坡，海拔高度172 m，與山谷邊緣海拔125 m相差不到50 m，將18號(hào)風(fēng)機(jī)布置于此，考慮70 m的塔筒高度，18號(hào)風(fēng)機(jī)正好風(fēng)向切過山坡，N、S、NW風(fēng)向都有利于應(yīng)用。

故將17、18號(hào)風(fēng)機(jī)布置如圖7所示。

圖7 17號(hào)、18號(hào)風(fēng)機(jī)分別布置于兩個(gè)山谷東北口

此時(shí)發(fā)電量計(jì)算結(jié)果，如表4所示。

表4 17號(hào)、18號(hào)風(fēng)機(jī)分別布置于兩個(gè)山谷東北口發(fā)電量結(jié)果表

對(duì)比表3、4可以看出，利用兩個(gè)山谷后的14、15、17、18號(hào)風(fēng)機(jī)尾流損失均控制在允許值范圍內(nèi)，并且發(fā)電量也隨之提升，由此驗(yàn)證了對(duì)17、18風(fēng)機(jī)機(jī)位的分析。

4 結(jié)論

基于工程實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹了風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)中復(fù)雜地形條件下風(fēng)機(jī)機(jī)位布置方法。重點(diǎn)介紹了該工程一處風(fēng)機(jī)機(jī)位選點(diǎn)布置，通過對(duì)風(fēng)資源和實(shí)際地形的分析研究，靈活巧妙的對(duì)季節(jié)風(fēng)和溝谷風(fēng)加以充分利用，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)機(jī)位的優(yōu)化布置。

山地地形風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能分布隨地形變化而具有一定的特殊性，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)地形、地貌的差異，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際情況布置風(fēng)機(jī)，從而達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)微觀選址合理及優(yōu)化的目的。

［1］宋海輝.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及工程［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2009.

［2］白紹桐，胡曉春，等.風(fēng)電場(chǎng)微觀選址工作的探討［J］.華東電力技術(shù)，2008，30（3）.

［3］于力強(qiáng)，蘇蓬.風(fēng)電場(chǎng)選址問題綜述［M］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2009，7.

［4］周榮衛(wèi)，何曉鳳.三種方法結(jié)合為風(fēng)電場(chǎng)選址.中國(guó)氣象報(bào)，2007，2.

［5］梁水林.風(fēng)能資源的評(píng)估及風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址的選擇［J］.電力勘測(cè)，1997，3.

Study of Wind Power Generator Arrangement in Complex Terrain

In this paper，the factors of wind generator arrangement are described，one method of wind generator arrangement in complex terrain is presented which is used to the design of the Datang-Huangdao wind farms.Advanced wind resource analysis and application program (WASP)is used to the arrangement in complex terrain.Through the wind farm wind resources and terrain analysis，the arrangement of wind generator is optimized，meanwhile the efficiency of wind generator is improved.

wind farms；complex terrain；wind power generator arrangement；WASP

book=23,ebook=6

TM614

B

1007－9904（2010）04－23－04

2010－03－17

張升（1982-），男，本科，主要從事風(fēng)力、火力發(fā)電設(shè)計(jì)、電網(wǎng)變電設(shè)計(jì)工作。

孫江平（1982-），男，碩士，主要從事電網(wǎng)變電設(shè)計(jì)、風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)工作。