風電場微觀選址技術研究

文 | 徐棟，潘家國，趙令金，張先儒

風電場微觀選址技術研究

文 | 徐棟，潘家國，趙令金，張先儒

風電場微觀選址即風電機組位置的選址，是風電場施工階段的重要環節。針對風電場場址不同區域的地形條件，通過分析場區風能資源特征、多種風電機組布置方案的經濟技術比較，確定合理的風電機組排布方式，不僅要使風電場具有較好的發電量，而且要盡可能的減少建設投資。本文根據微觀選址前所需搜集的資料、微觀選址方案制定、選址過程遵循的原則和需注意的問題等，結合工程實例，對風電場微觀選址工作進行了探討，為風電勘測設計工作提供了依據。

資料搜集

形圖，地形圖除反映必要的地形、地貌、位置和高程信息外，還需要反映場區內居民點分布、植被和耕地覆蓋、道路、輸電線路、油井、石油和天燃氣管線、文物、軍用設備等信息，如場址位于不同行政區劃邊界，還應反映兩省（市、縣）的界線。

（5）風電場區域壓覆礦產情況，如擬建風電場壓覆礦產資源，則需要國土部門出具的安全距離說明。

（6）風電場區域內的其他規劃用地范圍。

（7）風電場區域的爭議用地，并需要項目業主落實其可用性。

（8）風電機組機型參數及當地空氣密度下功率曲線、推力系數。

現場微觀選址前需要搜集資料，制定微觀選址方案。這些資料主要包括以下內容：

（1）風電項目審定后的可行性研究報告。

（2）風電場內部或附近測風塔至少一年的測風數據，測風數據完整率需滿足90%以上。

（3）參證氣象站情況，包括氣象站建站時間、站址變更歷史記錄、站址周圍建筑物和植被的重要變遷記錄、氣象站測風由人工記錄變為自動觀測的時間以及平行觀測記錄；參證氣象站氣象資料，主要包括近30年年平均風速、年最大風速、與測風塔測風數據同期的逐小時平均風速風向數據。

（4）風電場區域1∶2000實測地

微觀選址方案制定

根據搜集到的資料，首先要進行區域風能資源評估，在地形圖上進行風電機組布置，制定微觀選址方案。

一、數據檢驗及風能資源評估

（一）測風數據檢驗

測風數據檢驗需要按照《風電場風能資源評估方法》（GB/T18710－2002）的規定進行。在處理測風數據時會遇到一些特殊情況，例如靜風情況、測風儀遭凍結、某高度的風速儀或風向儀損壞等，需要進行原因分析和處理。

（1）靜風是指平均風速小于0.5m/s的情況。此時，測風資料中顯示在某時段內多個高度的風速數據均為0.4m/s，但在該時段的上下時段風速均表現正常，并且風向在該時段內幾乎無變化，這種情況下多為靜風狀況。靜風并不代表無風，只是實際風速小于測風儀的最小閾值，顯示風速為0.4m/s，這種情況屬于正常狀態，一般持續時間較短，不需要處理。

（2）我國北方和西南的某些地區，冬季在降水之后由于氣溫較低，會將風速或風向儀凍結，測風資料中顯示某時段內某高度的風速數據均為0.4m/s，或風向保持某一值不變，而同時段的其他高度以及其他時段內的風速風向均正常，此時對應時段的氣溫值處于0℃以下。這種情況下，需要將遭凍結的某高度風速數據與其他未遭凍結高度的風速數據做相關分析，并進行插補。

（3）測風塔某高度的風速儀在大風或其他情況下會損壞，表現為某高度風速數據在相當長時段內顯示0.4 m/s，或者從某時刻開始某高度的風速出現小于其下面高度的風速，其他高度風速和風向均正常。這種情況下，需要利用相鄰高度風速數據進行插補。

（二）風能資源評估

微觀選址在可行性研究階段之后，風電場區域的場址、測風數據等均有可能發生變化，因此，該階段的風能資源評估十分必要。

風能資源評估的主要內容與可行性研究階段基本一致，主要包括風電場場址的空氣密度、預裝輪轂高度代表年平均風速和風功率密度、風電場區域風向和風能方向頻率分布、各風速段風速和風功率密度頻率分布、風速和風功率密度的年內變化和日變化、風切變指數、湍流強度、50年一遇最大風速等。

二、微觀選址方案制定原則

根據風能資源評估結論，首先需要制定合理的微觀選址方案，并應遵循以下原則：

（1）盡可能布置在風電場內風能資源較好、發電量大的位置，使其能夠充分利用風能資源發電。

（2）平坦地形條件下，采用規則排布，根據風電場主風向、主風能方向確定合理的風電機組排布方向和間距；復雜地形條件下，風電機組排布不規則，還需要結合地形走向，確定合理的風電機組排布間距。應盡可能減小風電機組間尾流影響，增加發電量，并使風電機組布置較為集中。

（3）綜合考慮風電場的設備運輸、電氣、施工安裝條件，力求電力電纜長度最短，運輸和安裝方便，盡量減少風電場配套工程投資。

（4）盡可能利用已開發的土地或荒地，不占用或少占用林地、耕地，避免對生態環境造成破壞。

（5）盡可能遠離居民點，避免建成后風電機組運行噪音等對當地居民生活造成影響。

（6）盡可能遠離高壓輸電線、石油和天然氣管線、高等級公路、礦產資源壓覆區等，避免在風電場建設和運行過程中產生影響和引發事故。

（7）盡可能遠離重點文物保護區、民用和軍用設施，避免風電場建設過程中產生的損壞和干擾。

現場微觀選址

依據制定的微觀選址方案進行現場微觀選址。以下將總結現場微觀選址過程中需要注意的問題。

（1）為了使風電機組在運行過程中產生的噪聲不影響居民的正常生活，風電機組布置與居民點之間應保持一定的距離。《風電場噪聲限值及測量方法》中規定，鄉村中居民住宅等需保持安靜的地方，噪聲限值為夜間45dB，白天55dB，夜間噪聲排放最大聲級不超過限制的15dB。有研究表明，現代風電機組在不同風速下的聲功率級在100dB－106dB之間。按照點聲源衰減公式計算，風電機組與居民點的水平距離應不小于350m。

（2）某些風電場內會有石油或天然氣管線穿越，按照《石油和天然氣管道保護法》的規定，在管道兩側修建構筑物的與管道距離應符合國家技術規范強制要求。因此，在遇到某些機位附近有管線分布的情況，應與管道企業落實安全距離。

（3）如遇到風電機組周邊有高壓線的情況，需要參照《電力設施保護條例實施細則》的有關規定進行避讓。按細則規定，常見的35kV、110kV等級的電壓導線邊線在計算導線最大風偏情況下，距建筑物的水平安全距離分別為3m、4m，并且桿塔周邊分別在5m和10m的范圍內不得開挖、鉆探。《風力發電場設計技術規范》規定了風電機組與架空線路安全距離應滿足風電機組吊裝、維護以及正常運行時不影響線路運行。因此安全距離需結合細則和規范的規定以及風電機組塔筒高度和葉片長度確定。

（4）對于風電場內公路的避讓的情況，需參照《公路安全保護條例》的規定，即高速公路、國道、省道、縣道、鄉道建筑控制區的范圍從公路用地外緣起向外的距離標準分別不小于30m、20m、15m、10m、5m。同時安全距離還需要結合風電機組塔筒高度和葉片長度考慮。

（5）如遇到文物保護區、壓覆礦產區域、軍事保護區等情況，則需要與相關部門協商落實其與機位應控制的距離。

現場選址過程中如遇到以上不滿足條件的機位，則需要進行局部移動，移動的方向和距離需要結合與周邊機位的距離、方位以及主風向、主風能方向，保證機位移動后相互之間的尾流影響和湍流強度都處在合理范圍內。

微觀選址成果復核

通常在微觀選址過程中會設置多個備用機位，以備某些機位因不能使用而作為替換。在復核過程中還需要對備用機位的建設條件、發電量、配套投資等進行綜合比較，選擇最優的機位作為推薦方案。

針對最終的推薦方案，需要復核計算各機組的尾流影響、發電量、湍流強度等，確定在所選擇的機位上風電機組性能能夠充分的體現，滿足機組安全等級要求，并提出風電場評估發電量。復核計算的過程中應采用多種計算軟件，如WAsP、WindPro、WindFarmer、WT、WindSim等目前主流計算軟件，依不同的地形條件選用，對復核結果進行比較，總結其共同規律，并選取合適的推薦結論。

工程實例

一、平坦地形條件

平坦地形條件下，風能資源分布較為均一，若盛行風向穩定，主風向和主風能方向明確而較為單一，風電機組采用規則排布為宜。不僅可以有效的控制尾流影響，很大程度的減少集電線路、道路等配套投資，而且排布整齊、美觀。

本文以西部某風電場為例，說明平坦地形條件下的微觀選址過程。該風電場位于戈壁荒灘，地形平坦開闊，裝機容量200MW，安裝100臺MY103/2000kW－80m型風電機組。風電場風能玫瑰圖如圖1所示。由圖1可見，該風電場主風能方向為西（W），單一且明確。因此本風電場在制定微觀選址方案時，風電機組排布應垂直于西（W）風，并使后排風電機組位于前排兩臺風電機組之間。為了保證風電機組間湍流強度值處于安全范圍，垂直于主風能方向上同列內風電機組間距一般應不小于4D，同時為了減少上下游風電機組間的尾流影響，平行于主風能方向上風電機組間距一般應不小于9D。為了進一步減小風電機組間尾流影響，增加風速恢復距離，可適當拉大個別列之間的距離。經過各種方案比較，最終確定，本風電場風電機組排布分5列，同列內風電機組間距為4D，平行于主風能方向各列距離相等時，年上網電量最大，尾流影響最小。風電機組布置如圖2所示。

由于風電場位于戈壁灘地，地形較為平坦，大部分初選機位均可以使用，現場微觀選址過程中僅對部分位于行洪區內的機位進行了局部移動，部分機位在施工過程中做防洪處理即可。

二、山地、丘陵地形條件

山地、丘陵地形條件下，風能資源分布差異較大，需要根據地形和風能資源文件對風電機組進行優化布置。

本文以甘肅東部某風電場為例，說明山地、丘陵地形條件下的微觀選址過程。該風電場位于低山丘陵區，地形起伏較大，裝機容量50MW，安裝25臺W105/2000kW－80m型風電機組。風電場風能玫瑰圖如圖3所示，由圖可見，風電場主風能方向為南（S）、東南（SE）、南東南（SSE）。由于風電場有多個主風能方向，風機優化布置過程中，主風能方向間距應不小于6D，垂直主風能方向間距不小于4D。設計過程中，設置了多種風電機組間距進行優化布置，最終選擇發電量較大、尾流影響處于可控范圍、布置較為集中的方案作為推薦方案。對附近存在居民點、輸電線等敏感點的機位進行了避讓，調整后的推薦方案風電機組布置見圖4。在推薦方案中，發電量較大、施工條件較好的33臺風電機組機位作為首選機位；發電量較小、施工條件有一定難度的5臺風電機組機位作為備選機位。

現場微觀選址過程中，將不滿足條件的機位予以棄用，部分機位視現場情況進行了局部調整。最終確定微觀選址后風電機組布置如圖5所示。

微觀選址后，利用WindFarmer、WindSim軟件進行復核計算，得出風電場理論發電量和尾流影響后發電量，并考慮綜合折減，最終得出上網電量。經復核，各機位湍流強度、50年一遇最大風速等滿足設計要求，年上網電量和尾流影響見表1。

WindFarmer和 WindSim軟件的計算結果相近，但略有差別，針對每個地區，每種軟件有一定的適用性。設計利用兩種軟件對風電場場址內的兩座測風塔的風速進行了互相推算，結果表明，在該風電場采用WindFarmer軟件計算得到的風速與實測風速更為接近。因此設計最終采用WindFarmer軟件的計算結論。

圖1 西部某風電場風能玫瑰圖

圖2 西部某風電場風電機組布置圖

圖3 甘肅東部某風電場風能玫瑰圖

圖4 甘肅東部某風電場微觀選址方案風電機組布置

圖5 甘肅東部某風電場微觀選址最終風電機組布置

表1 微觀選址后最終方案復核結果

結論

（1）前期收集的資料是編制微觀選址設計方案的基礎，務必要全面、詳細。測風數據處理過程不僅要嚴格按照《風電場風能資源評估方法》的相關規定，還需要分析某些特殊情況下的數據異常原因及其處理方法。

（2）應根據平坦地形和相對復雜的丘陵、山地地形，分別制定合適的風電機組布置方案。通過風能資源評估結論和地形特征確定風電機組排布方向，并通過設置不同的風電機組排布間距擬定多種布置方案，最終選取發電量較高、布置集中、投資較少的方案作為推薦方案。

（3）石油和天然氣管線、高壓線等敏感地物的避讓應遵照相關的法律法規規定，保持足夠的安全距離，通過實測地形圖避讓和現場確認來實現。

（4）微觀選址成果需要依據不同地形選擇適用的評估軟件進行復核計算，確認初選機位的湍流強度、50年一遇最大風速等符合安全等級要求，尾流影響合理可控，并推薦風電場年上網電量估算結果。

（作者單位：徐棟：中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司；潘家國、趙令金：國投白銀風電有限公司；張先儒：國投哈密風電有限公司）