風電場選址軟件WindPRO在本科教學中的應用

王海云 張革榮

（新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊830049）

0 引言

隨著風電產業的迅猛發展，國內對風電專業人才的需求逐漸增大。除了風電場要配備風電運維檢修人員，風電機組制造廠商和風電技術服務廠商也要派出相應的運維檢修人員協助風電場［1］。風力發電技術涵蓋了電機學、電力電子學、空氣動力學、自動控制、機械傳動等多個交叉學科，涉及氣象、材料、空氣動力學、電氣工程、機械工程、檢測認證等多個專業領域［2］。國內的機械工程學院和電氣工程學院本科專業陸續開展了風力發電相關的課程，有些學院還開設了風能專業。新疆大學從2005年開始開設風力發電相關的本科課程，并于2011年設立風能與動力工程專業，培養在新能源領域從事相關工程技術的開發研究、工程設計、優化運行及生產管理工作的跨學科復合型高級工程技術人才。

在風能專業的本科教學中，由于環境條件有限，只能講授有關理論知識和方法，不能提供理論的驗證以及實踐，使學生對有關知識方法感到抽象難懂，不利于理論基礎的鞏固和方法的掌握。本文以風能資源的評估方法為例，將理論教學與風電場選址軟件WindPRO實例分析相結合，旨在幫助學生更好地理解掌握風力發電的有關知識，鍛煉實際操作能力，提高分析和解決問題的能力。

1 風電場選址軟件WindPRO

丹麥國家實驗室的WindPRO軟件是在WAsP軟件的基礎上開發的風資源評估和風電場選址軟件，基于風資源數據、風電場的實際位置以及待選機型的參數，模擬添加地形粗糙度、障礙物等因素，以精確的風能資源數據分析、高精度的數字地形圖、不同的湍流及尾流模型選擇等優勢，對風電場進行選址和機位排布及優化，估算風電場的發電量。新疆大學購買了正版的WindPRO軟件，并利用該軟件開展本科專業的風力發電相關課程的教學，理論與實際相結合，把理論公式和原始數據以圖形的形式展示給學生，達到很好的教學效果。

WindPRO軟件工作流程如下：工程建立→數據輸入→數據分析處理→風能資源評估→風電機組選型→發電量預測→環境影響評估→電網接入→考慮損耗的發電量預測→機位優化排布。

WindPRO軟件內包含有很多不同用途的模塊，可根據不同目的選擇使用。其中風電場模塊PARK用于計算因尾流效應而產生的陣列損失、計算含尾流模型時的風電場產量，通過對比可以看出尾流造成的產量損失，其中還包括各個扇區的風電產量和各個扇區的尾流造成的損失，從而得到哪個風區尾流損失最大，為最終的風電場風電機組排布優化提供依據。針對本科生風能資源評估的學習，只需掌握基礎模塊、氣象模塊METEO和模型模塊MODEL。

（1）基礎模塊：1）項目管理器，項目管理器主要用來建立新項目，在新項目中可以加入制作好的風電場地形圖，并提供在線導入某地區風電場的背景地形圖功能；2）特殊用途工具，主要有對風電場背景地形圖模擬添加等高線、風電機組、氣象對象、障礙物、區域對象粗糙度、數字高程地形圖下載等；3）風機目錄，WindPRO軟件提供了目前世界上最先進、最全面的風機對象；4）在線數據服務免費接口，通過在線數據服務接口可下載某區域地形、等高線等。

（2）氣象模塊 METEO：把從氣象站或者現場記錄得到的測風數據添加到氣象模塊中，經過氣象模塊對測風數據的處理可以得到威布爾分布曲線、風玫瑰圖、風功率、湍流強度等。

（3）模型模塊MODEL：通過該模塊可以和 WAsP軟件相結合，可利用WAsP軟件得到的結果，進行一系列計算。例如，利用模型模塊MODEL和WAsP軟件相結合可得到風統計，根據風統計可以得出各種風機在某風電場區域中的發電量、風資源地形圖等，風資源地形圖是最后進行風電場風電機組排布優化的最關鍵因素。

2 風資源評估實例

對某風電場一年內的測風數據和地形進行了整理分析，把整理好的測風數據和高精度的數字地形圖導入WindPRO軟件中，就可得到該風電場的風資源統計數據，如風頻曲線圖、風能玫瑰圖、風向玫瑰圖、風廓線圖、湍流強度圖等。

2.1 新建項目

首先在WindPRO的窗口界面上創建一個圖層，在地圖上創建適當數量的風電機組，然后將添加的風電機組添加到新建的圖層中，其中選擇恰當的風力發電機類型也是關鍵的一步，最后設置適當的每排風機數以及風機間的距離。本文選定的每排風機數是2臺，風機間的距離是400m，風機類型是VESTAS V90－2MW，創建風電機組對象后的數字地形圖如圖1所示。

2.2 測風原始數據分析與處理

為保證風資源統計值的有效性，測風數據導入時需要對數據源進行驗證，對測風數據進行相應的處理，剔除錯誤數據，并在相應的位置上補上合理的數據。需要從代表性、正確性和完整性3個方面核定已有的測風數據，在核定之后我們才可以檢驗處理的測風數據。合理性檢查包含獲得的測風數據的最大值、最小值是否都在規定的范圍內，有沒有超過規定值的數據。數據之間的相關性查驗，用于判斷某一種數據在不同的高度得到的值是否合理，比如測風數據中的風速值在不同塔高處對比是否合理，各種參數的變化趨勢是否合理等。

完整性包括測風數據的個數是否足夠，是否按照預定的起始和終止時間，漏測數據的比例是否超過1%等。測量的風速是否超過要求的上下限，數據變化趨勢是否符合邏輯變化。

圖1 創建風電機組后的數字地形圖

2.3 風資源統計圖

把整理后的原始風資源數據導入 WindPRO軟件，可以得到對象數據表頁，該軟件以圖表的形式顯示風資源數據分析的結果，直觀反映風能資源的特征值。借助WindPRO軟件，學生能夠把相關的風頻分布曲線、風廓線、湍流強度、風向玫瑰圖和風能玫瑰圖等理論知識與實際數據形成的圖表進行對應，把理論知識形象化，便于消化吸收。

（1）威布爾曲線圖和頻率曲線圖。風頻分布常用威布爾曲線圖和風頻扇區圖來表示，如圖2所示。

圖2 各個高度下的威布爾曲線圖和頻率曲線圖

圖2 以實際某風電場測風數據為例，利用WindPRO軟件得到各個測量高度威布爾曲線圖和頻率曲線圖，其從10m、25m、40m、60m、70m5個高度顯示了威布爾曲線和頻率曲線。

（2）風能玫瑰圖。風能密度的公式為：

式中，V 為風速，ρ為空氣密度值，通常取1.225kg／m3。

風電場風能玫瑰圖如圖3所示，其中包括了風區的風速大小和頻率分布大小，利用 WindPRO軟件處理之后可以得到10m、25m、40m、60m、70m高度處的風能玫瑰圖。

（3）湍流。利用WindPRO軟件得到在10m、25m、40m、60m、70m各個高度下的湍流強度圖像，湍流強度可以反映該風電場大氣氣流波動情況，湍流越小，說明該風電場氣流波動越小，越是我們所需要的風電場數據。國際上常用湍流強度I15來衡量湍流強度的大小，即14.5m／s＜v＜15.5m／s風速段內的湍流強度。從統計結果可知：風速越大，湍流強度越小，而且風速很低時湍流強度主要是由大氣的穩定程度決定的。

圖3 風電場風能玫瑰圖

3 結語

本文列舉了WindPRO軟件在風資源基礎知識教學過程中的部分應用實例，較為詳盡地說明了相關理論知識與統計圖表的關系，介紹了WindPRO軟件中的建立工程及風資源統計的方法。在本科教學中，將WindPRO軟件與課本理論知識相結合進行了教學實踐，發現學生的注意力更加集中，對課本知識的理解掌握更加牢固，并且活躍了課堂氣氛，理論與實踐相結合的教學方式更能引起學生們的興趣。

WindPRO軟件取風電場的實測數據進行分析，讓學生從風能資源特性、風電機組類型、風電場選址方法、尾流影響等方面多角度理解風電場的機組選型和機位排布優化，是理論聯系實際的典范。許多學生對 WindPRO軟件產生了濃厚興趣，并積極主動學習軟件并利用軟件研究有關風電場的其他問題，提高了他們自主學習和獨立研究的能力。WindPRO軟件在本科教學中的應用取得了良好的效果，增加了學生們的專業技能，更有助于培養風電專業人才。

［1］張潤華.風電相關專業課程體系的構建與實施［J］.產業與科技論壇，2013，12（8）：214－215.

［2］任永峰，彭偉，張利宏，等.內蒙古風能與動力工程專業人才培養與課程體系探索［J］.中國電力教育，2013（17）：36－37，44.