風電場分期開發中存在問題的探討

彭秀芳，李劍鋒

（江蘇省電力設計院，南京 211102）

0 引言

2011年中國（不包括臺灣地區）新增安裝風電機組11409臺，裝機容量17630.9MW。累計安裝風電機組45894臺，裝機容量62364.2MW，年增長率為39.4%。據統計，2011年全國共統計了10個省（市、自治區）的限電情況，統計覆蓋的風電場總裝機容量達到18691MW，占全國風電并網容量的42%[1]。經歷一段高速發展期之后，風電工程的開發建設將漸趨理性。

受資金和國家政策等多重因素的影響，目前國內的陸上風電場的申報容量通常都在50MW以內。一般情況下，一個場址的總開發容量會超過50MW，為了解決申報容量在50MW以內，又能充分開發該區域的風能資源等問題，采取的普遍方法是分期開發。在分期開發中，由于整個風電場場址區域面積較大，如何準確地評估場址的風能資源，從場址內哪個區域開始開發等問題都直接影響到整個風電場的裝機容量和效益[2]。本文根據實際工作過程中遇到的問題，結合一個具體工程實例對風電場分期開發中的一些問題進行探討。

1 工程實例概況

本文以一個已建灘涂風電場為例進行分析。該風電場南北長約12.3km，東西寬約2.5km，風電場呈南北長條形，場址內海拔高程約3m～5m。一期、二期工程已經建設完成，三期工程正在實施中。風電場范圍內及附近布置三個測風塔1#、2#、3#。風電場場址范圍及測風塔位置圖見圖1。在同一個測風年內，1#測風塔70m高度實測年平均風速為6.96m/s，年平均風功率密度為357.3W/m2；2#測風塔70m高度實測年平均風速為6.51m/s，年平均風功率密度為300W/m2；2#測風塔70m高度實測年平均風速為7.04m/s，年平均風功率密度為360W/m2。風電場主風向和主風能方向都為N方向，SE、SSE方向次之。

一期風電場位于場址西面，沿南北方向布置兩排；二期風電場位于場址東面，沿南北方向布置一排；三期風電場在一期、二期中間。一期、二期工程已經完成，現在開展三期工程工作。在三期工作開展中發現幾個問題，現逐一進行探討并提出解決辦法。

2 風電場風能資源分析

在計算三期工程發電量時，為了考慮前兩期工程與本期工程風電機組間的相互影響，計算結果發現，一期、二期已建工程風電機組的尾流影響很大，有的風電機組尾流達到17%以上。在實際工程中，風電機組的尾流控制在10%左右。是不是第三期工程風電機組布置之后才使前兩期工程風電機組的尾流達到那么大的值？為解決這個疑問，單獨將一期、二期工程的風電機組進行計算。結果顯示，有些風電機組的尾流影響還是接近17%。為了弄清楚原因，設計人員將原先一期、二期工程設計的資料調出來查閱，結果分析如下。[3-4]

一期、二期風電場風能資源分析時采用的是1#測風塔，按照原方案的計算，場址內粗糙度值取0.15，場址東面粗糙度值取0.03，場址西面粗糙度值取0.2，采用專業軟件進行模擬，風電場風速分布等值線圖如圖2所示。場址內平均風速約為7.4m/s，2#測風塔位置的平均風速為6.92m/s，3#測風塔位置的平均風速為7.76m/s，推算出場址內2#和3#位置的風速分別比實測風速高出6.2%和10.2%。在三期工程方案中，場址內粗糙度值調整為0.1，場址東面調整為0.01，場址西面調整為0.15。采用專業軟件進行模擬，風電場風速分布等值線圖如圖3所示。2#測風塔位置的平均風速為6.70m/s，3#測風塔位置的平均風速為7.18m/s，2#和3#位置的風速分別比實測風速高出2.9%和2%。從上面的分析可以看出，三期調整后的計算結果更貼近實測值。

在原報告中，一期、二期工程中的風電場尾流影響較小，整個場址平均尾流只有6.35%，而三期方案中，整個風電場尾流影響達到12.5%左右。從上面的分析中可以看出，造成原報告中尾流影響小的主要原因是：在原方案評估中，風電場場址風能資源模擬計算時，整個風電場的風速偏大。

風電場風能資源分布是否準確，直接影響風電場風電機組布置和尾流，進一步影響風電場發電量的計算結果和風電場經濟效益[5]。在風電場場址面積較大時，采用分期開發的風電場，一般都立有兩座及以上的測風塔。在《風電場工程技術手冊》中規定的粗糙度值一般都在一個范圍內，例如開闊狀態農田到封閉狀態農田的粗糙度值是0.05～0.1，封閉狀態農田到多樹木或灌木的粗糙度值為0.1～0.2。手冊中的這種定義使得粗糙度的取值存在一定的不確定性。為了能夠準確分析一個具體風電場場址的風能資源，通過以上分析得出，可以根據測風塔同期實測數據對粗糙度值進行調整，可以有效降低粗糙度取值的不確定性。[6-7]

攝影：王太剛

圖1 風電場范圍及測風塔位置示意圖

圖2 風速分布等值線圖 （原方案）

圖3 風速分布等值線圖（三期方案）

3 風電場分期順序

本文將依據工程實例，對如何進行合理的分區域開發提出一些看法。風電場各期之間的相互影響主要體現在尾流上，同時還得兼顧升壓站的位置和地形條件。風電機組布置尾流影響主要考慮的還是主風向，沿主風向尾流影響率較高。為了使后期的風電機組布置對前期的影響最小，在風電場前期開發時要兼顧后期風電場。

在上述工程中，地形是南北條形狀灘涂區域，風速是沿海向內陸衰減。在場址建設中，一期工程位于場址西面，二期工程位于場址東面，三期工程是在一期、二期之間插建。一期、二期工程的開發雖然都盡可能靠近場址東西兩側邊沿布置，但沒有考慮到對后期的影響，且場址內風能資源評估風速偏大，一期風電場特別是二期風電場的風電機組間的間距較小，使得三期風電機組間距只能布置偏大，才能使尾流影響較小。

在本工程中，二期工程區域為場址東面，在整個場址中，該區域風速最大。在前期建設時只考慮到二期風電機組間的相互影響，風電機組的間距基本小于300m，雖然前期的風電機組的間距基本能滿足該期風電機組的尾流影響，但是由于第一排風電機組布置太密，對第二排風電機組風速的影響加大。因此，在分期開發的風電場進行風電機組布置時，就應該充分兼顧后續風電機組與本期風電機組之間的相互影響。最理想的狀態就是，對整個風電場進行綜合布置，然后根據各期的總容量進行分區域分期開發。

4 結論

風電場分期開發只是在工程建設中的一種策略，風電場建設的最終目標是追求效益最大化。因此，在建設初始階段就應該對風能資源分析和風電機組布置進行統籌規劃。從目前的工程建設經驗來看，測風塔之間數據的相互驗證能準確評估整個風電場風能資源分布。初始階段整體布置風電機組，綜合考慮，能夠使整個風電場發電量最大化。

[1] 中國可再生能源學會風能專業委員會[N].2012-4-6.

[2] 宮靖遠.風電場工程技術手冊[M].北京: 機械工業出版社, 2005.

[3] 彭秀芳, 李劍鋒.地形粗糙度線范圍對風電場計算的影響[J].電力勘測設計, 2012(4): 70-73.

[4] 彭秀芳等.海上風電場風能計算中關于海面粗糙度問題的探討[J].太陽能學報,2 012,33(2).

[5] 蘇勛文, 趙振兵等.尾流效應和時滯對風電場輸出特性的影響[J].電測與儀表, 2010,47(3):28-31.

[6] 過節等.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):24-29.

[7] 斯塔爾R B.邊界層氣象學導論[M].青島: 青島海洋大學出版社, 1991.