風電場機組選型與微觀選址優化研究

文 | 劉超 盛科 楊佳元 盧陳皓 文雯

風電場機組選型與微觀選址優化研究

文 | 劉超 盛科 楊佳元 盧陳皓 文雯

風電場前期開發階段，風電場項目開發公司將請設計單位進行風電場可行性研究。設計單位在獲得風電場風能資源數據并對風能資源情況進行評估后，將根據多個主機廠家的機型參數，進行初步的經濟性能分析和微觀選址工作。一方面通常可行性研究早于風電場主機招標時間，風電機組的技術型式發展很快，可供選擇機型不斷增多。另一方面，可行性研究報告主要從風電場整體考慮風電機組安全性等級，并不會具體到機位點的安全性要求。因此可行性研究報告中的風電場發電性能指標通常與實際情況存在差距，布機機位點也需進行進一步優化。本文在設計單位的微觀選址基礎上，以河南某風電場為例，進行更有針對性的風電場機組選型和微觀選址優化研究。

風電場概況

風電場位于河南省中部地區，場區高程290m－770m之間。風電場所在區域屬北溫帶季風型大陸性氣候。氣候溫和，四季分明，年平均氣溫14.5℃，年平均降水量604.6mm，年平均日照時數2228.7h。風電場地形地貌主要屬中低扇區，山體坡度一般為10°－30°。場區內有村莊，基本無耕作農田和樹木，為旱地作物和雜木草。該區域80m高度年平均風速在5.5m/s－6m/s之間。風電場場址區域屬山地，受地形風影響明顯，風電場風向主要以S為主，在冬春季NW和NE風向也占一定比例。

風電場場址內立有2座測風塔，其中1#測風塔位于場區西北部，海拔高681m，2#測風塔位于場區南部，海拔高595m。兩測風塔測風高度均為70m，均采用美國NRG公司的測風設備進行測風，測風時段為2011年11月到2013年7月。

（1）年平均風速（見表1）

（2） 50年一遇10min平均最大風速與平均空氣密度

根據風電場可行性研究報告，風電場70m高度50年一遇10min平均最大風速為27.9m/s，利用風切變推算到80m高度處50年一遇10min平均最大風速為28.3m/s，推算到標準空氣密度50年一遇10min平均最大風速分別為27.2m/s。

根據測風塔上實測氣溫和氣壓，計算出風電場區域的年平均空氣密度為1.134 kg/m3左右。

（3） 風切變

根據工程可行性研究報告，得出1#測風塔風速隨高度變化綜合指數為0.088；2#測風塔風速隨高度變化綜合指數為0.072，屬于較小水平。

機型選擇

一、擬選機型

測風塔計算整個風電場布機范圍內1#塔70m高度平均風速為6.02m/ s，80m高度年平均風速為6.1m/s；2#塔70m 高度平均風速為5.2m/s，80m高度年平均風速為5.25m/s；風場70m高度處15m/s風速段的湍流強度小于0.14，50 年一遇最大風速小于37.5m/s。通過測風塔的數據對比可以看出，整個風電場范圍內的風能資源分布情況都適合選擇IECIV類及以上風電機組。

從充分利用風電場風能資源和風電機組安全等方面考慮，通過對我公司幾款風電機組的特點以及根據本風電場的風能資源、地形和交通運輸條件、湍流強度以及各型風電機組的成熟性等特點，本階段擬定以下2種備選風電機組機型：WTG1500D93、WTG2000D110。

兩種風電機組基本參數對比見表2。

二、布機方案及機型選擇

風電機組選型時應根據風電機組技術參數和造價，擬定若干機型，綜合考慮擬選風場的風能資源特征，從技術和經濟兩個方面進行綜合比較，最終確定適合擬選風電場的最優機型。本風電場擬安裝33臺單機容量為1500kW的風電機組；或者擬安裝24臺單機容量為2000kW的風電機組。基于本期風電場的風能資源情況和我公司風電機組的特點，優先考慮24臺WT2000D110風電機組；如果考慮運輸難度較大，則考慮33臺WTG1500D93風電機組的方案。

表1 年平均風速對比

機型選擇階段采用可研報告中對各容量機組的初步布機方案進行發電量及經濟性能評估，從而選出適合風電場的最佳機型。根據可研報告中對兩種容量機組的初步布機方案（見圖1、圖2），采用Meteodyn WT軟件推算各機位點風能資源，再根據各機型功率曲線進行發電量計算。結合可研報告中對建筑工程、工程靜態投資等投資值，初步估算了兩種機型及布機方案下的經濟性能評估，估算工程投資見表3。

從表2可以看出，采用上述布機方案，風電場的年理論發電量以全部采用WTG2000D110機型方案相對較大，為14145萬kW·h；而全部采用WTG1500D93風電機組的，則全場理論發電量為13081萬kW·h。從經濟性能方面考慮，采用2MW風電機組的單位電能靜態投資更低，更具有投資優勢。從發電量和經濟性能方面綜合考慮，由于此風電場年平均風速較低，風能資源條件一般，因此采用低風速大葉片風電機組具有更大的優勢。

輪轂高度選擇方面，根據之前的分析，本風電場風切變小，升高輪轂高度對發電量增加作用不明顯，因此建議采用80m輪轂高度。

表2 兩種機型參數對比

表3 工程投資估算成果表

圖1 1.5MW機組布機方案

圖2 2MW機組布機方案

微觀選址優化

在風電場宏觀選址條件相同的情況下，由于微觀選址條件的不同，相同型號的風電機組的發電量存在較大的差異。因此為使風電場經濟性能更優，需進行進一步的微觀選址優化。MeteodynWT 通過載入地形數據，定義繪圖區域，定義測風點以及結果點通過計算一系列風向數據來獲得定向結果推算出一定區域的風能資源分布。根據推算出的風能資源圖譜，并綜合考慮尾流影響、地形條件、道路安裝、主風向等因素對可研報告中的微觀選址機位點進行優化，最終確定最優布機方案。

從安全性和經濟性方面考慮，結合湍流強度圖譜和年平均風速圖譜，盡量將點選在湍流強度小、年平均風速較大的地區。對圖2中WTG2000D110風電機組布機方案下各機位點風能資源進行分析可知，8個機位點湍流強度超出設計標準，且部分機位點布置在風能資源較弱地區，經濟性能不佳，因此需對這些機位點進行調整，使各機位點安全性能達到風電機組設計標準，并且盡量將整個風電場的經濟性調整到更優。通過WT軟件的微觀選址功能進行風電機組位置的調整，對這幾個點的位置進行微調。初次調整完后，重新生成各點的風能資源情況查看結果，發現T2、T3點的湍流強度仍然較大，還需進一步進行調整。附近區域湍流強度均較大，微調無法達到要求，于是需進行較大的調整。考慮道路安裝條件，結合場內道路圖（見圖3），對T2、T3點進行較大的調整。綜合考慮尾流折減、平均風速等因素，經過多次調整，得出最終機位點分布圖（見圖4）。

圖5、圖6表示微觀選址優化前后風電場各機位點年平均風速和湍流強度對比結果，可見，經過優化后，T2、T3、T6、T14、T15、T16機位點的湍流強度較大，但年平均風速較小，經過優化后，湍流強度降低，年

圖3 場內道路圖

圖4 最終布機方案圖

圖5 優化前后湍流強度對比圖

圖6 優化前后年平均風速對比圖

表4 微觀選址優化前后發電性能對比

平均風速增加，既滿足了機組安全性要求，又提高了發電性能。微調能達到目的則盡量進行微調，如果微調無法滿足要求，則須結合場內道路安裝、地形條件、尾流影響等其他因素對機位點進行較大調整。從表4可以看出，經過微觀選址優化后，風電場各機位點年平均風速增加了0.3m/s，湍流強度降低了0.016，風電場整體年有效利用小時數提高了7%，可見微觀選址優化對風電場經濟性能的影響顯著。

結論

風電場風電機組選型及微觀選址對風電場設計至關重要。本文以某風電場為例，通過全場風能資源計算分析，選擇兩種比選機型，在技術和經濟性兩個方面分別進行比選，最終得出風電場的推薦機型。機型確定后，再在可研階段微觀選址基礎上對機位點進行微觀選址優化設計，既滿足機組安全性要求，同時較大提高了風電場經濟性能，對風電場主機招標和正式施工之前最終的機型確定及微觀選址優化具有一定的指導意義。

（作者單位：南車株洲電力機車研究所有限公司）

攝影：許霞