地形粗糙度線范圍對風電場計算的影響

彭秀芳，李劍鋒

(江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

1 概述

近年來，世界風電裝機呈快速增長趨勢，以年均近30%的幅度增長，據(jù)世界風能理事會初步統(tǒng)計，2009年全球新增吊裝風電機組容量約3747萬kW。我國風電建設快速發(fā)展，裝機容量年均增長率達到70%以上。到2011年底，全國并網(wǎng)新能源發(fā)電裝機容量達到5159萬kW，占總裝機容量的4.89%，其中，并網(wǎng)風電4505.11萬kW，約占并網(wǎng)新能源發(fā)電裝機的87.33% 。

眾所周知，風況是影響風力發(fā)電經(jīng)濟性的一個重要因素。風能資源的測量與評估是建設風電場成敗的關鍵所在。因此，如何可靠地測量與預測風場的風資源情況對風電場經(jīng)濟效益是非常關鍵的。粗糙度是影響風能評估的一個重要參數(shù)，在文章[2]中提到粗糙度的取值，提出了我國東部沿海風電場粗糙度取值的大小的合理性，文章[3]中講述了海上粗糙度取值的計算方法，手冊[4]中對不同地形條件的粗糙度進行分類賦值。但很少有文章提到粗糙線所覆蓋范圍大小對風電場推求風速、發(fā)電量等因素的影響，在實際工程運用中也往往被忽視，本文將以實際風電場工程為例，分析粗糙線范圍的大小對風電場風速、尾流和發(fā)電量的影響。

2 研究方法

WAsP軟件是預測風電場發(fā)電量最成熟的軟件之一，在測風塔實測數(shù)據(jù)確定的前提下，粗糙度線位置和賦值大小是推求風電場區(qū)域的風能資源的主要影響因素。本文的研究方法是在粗糙度長度取值確定的情況下，改變粗糙度線的覆蓋范圍(長短)，來分析不同的粗糙度線的覆蓋范圍對風電場區(qū)域風速、尾流和發(fā)電量的影響。

3 實例分析

3.1 工程概況

本風電場場址沿岸線布置，場址范圍南北長約9km，東西寬約2km，規(guī)劃容量為49.5MW，推薦安裝單機容量1500kW的風力發(fā)電機組33臺。

該風電場外為海域，為了評估該場址的風能資源和計算發(fā)電量，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在該場址內(nèi)設置兩條粗糙度線，粗糙度線的不同范圍見圖1、圖2，小范圍用方案一、大范圍用方案二表示。方案一、方案二粗糙度線覆蓋范圍見圖1、圖2，從圖上可以看出，方案二中第一條粗糙度線明顯比方案一的范圍大，東西方向大3km左右，南北方向大5km左右。下面將詳細分析粗糙度線覆蓋范圍的大小對風電場風速、尾流和發(fā)電量的影響。

圖1 方案一粗糙度線及其范圍

圖2 方案二粗糙度線及其范圍

3.2 對風電場風速的影響

為了對比方案一和方案二中不同粗糙度線范圍對風機風速的影響，在WAsP軟件中輸入風電場風速、風向、風機參數(shù)、風機位置坐標，并分別導入方案一和方案二的地形圖，計算結果見表1。

表1 不同粗糙線范圍對風電場風速計算結果的影響(單位：m/s)

(續(xù))

從表1中可以看出粗糙度線范圍的增大對1#、2#、3#、31#、32#和33#風機位置的風速影響較大，風電場粗糙度線范圍增大后，這些風機位置的風速減小0.2m/s左右。該風電場測風塔位于風場場址的東北方向，且該風電的主風向為東北風，對照圖1風機布置圖，主要影響的也是東北方向上的風機位置的風速。

3.3 對風電場風機尾流的影響

通過計算后，風機的尾流影響見表2。

表2 不同粗糙線范圍對風電場尾流計算結果的影響(單位：%)

從表2中可以看出，擴大粗糙度線范圍，各風機的尾流都受到一定程度的影響，與3.2中風速影響類似，東北方向的風機尾流影響偏大，其中3＃風機尾流影響最大，從8.50%增加到9.30%，增幅0.8%；其次是2＃風機，尾流從8.27%到8.87%，增幅0.6%，其余1＃、27＃、28＃、29＃、31＃、32＃和3#風機尾流都有較大的提高。整體平均尾流增加2.4%。

3.4 對風電場風機發(fā)電量的影響

風電場粗糙度線增大范圍之后，對風機發(fā)電量的影響見表3。

表3 不同粗糙線范圍對風電場風機發(fā)電量計算結果的影響(單位：萬kWh)

從表3中可以看出，風電場粗糙度線范圍增大后，風機發(fā)電量基本有所下降，平均發(fā)電量從428.0萬kWh降到419.6萬kWh，降幅2%，但有部分風機發(fā)電量的影響會大些，1#風機發(fā)電量從446.2萬kWh降到423.6萬kWh，降幅5.3%；2#風機發(fā)電量從440.6萬kWh降到420.8萬kWh，降幅4.7%；3#風機發(fā)電量從437.6萬kWh降到415.0萬kWh，降幅5.4%；31#、32#、33#的降幅分別為4.0%、4.5%、4.7%。

3.5 確定較合適的粗糙度線范圍

通過以上對兩種不同粗糙度線方案下的風電場風速、尾流和發(fā)電量計算結果的對比，可以看出粗糙度線的設定對風場各要素的計算結果有較大影響，擬定合理的粗糙度線范圍對合理評估風電場風能至關重要。為了詳細分析計算結果對粗糙度線設置的敏感程度，下面將粗糙度最邊緣點到風電場邊界距離按0、1000m、2000m、3000m、4000m和5000m的不同距離設置并對計算結果進行對比分析。取最為典型的1#、2#和3#風機的計算結果進行分析。計算結果對比見表4。

表4 不同邊界距離方案計算結果變化百分比(相對0m距離邊界的計算結果) 單位：%

從表4可以看出隨著粗糙度線范圍的增大，對風速、尾流、發(fā)電量的影響也越大，但是當距離超過3000m時，影響的速度逐漸減慢，如1#風機在4000m和5000m距離時影響值幾乎一致。因此，在此地形條件下，當粗糙度線范圍距離風電場邊界3000m以上時，粗糙度線范圍繼續(xù)增大，對風電場各因素的影響可以忽略。

4 結論

在風電場風能資源評估中，粗糙度是影響其準確性的重要因素之一。通過上面風電場不同粗糙度線范圍對風電場風速、風機尾流和發(fā)電量的影響的對比，可以看出粗糙度線范圍不同對風電場風能資源的評估是影響較大的，這也可以體現(xiàn)出風電場范圍附近的地形條件對該風電場的影響是不能忽視的，因此在評估一個風電場風能資料時，盡量先考察一下場址附近的地形條件。此外，本文中的計算結果是基于較為平坦的沿海地形，對于其他不同類型的地形條件，文中的結果是否適用，需要進一步的研究。

[1]2009年度中國風電建設成果統(tǒng)計報告[R].北京：中國水電工程顧問集團公司，2010.

[2]潘沛，宋強，程海鋒.我國東部沿海風電場的粗糙度長度取值[J].能源科技，2009，30(增刊).

[3]過節(jié)，等.太平洋海面粗糙度的計算及波長的提取[J].海洋湖沼通報，2007(1).

[4]宮靖遠.風電場工程技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[5]中國新能源發(fā)電發(fā)展研究報告[R].北京：中電聯(lián)，2012.