復(fù)雜地形風(fēng)電場微觀選址方法研究

王 蕊，楊 楠

1.中國電能成套設(shè)備有限公司，北京 100086 2.北京潔源新能投資有限公司，北京 100083

復(fù)雜地形風(fēng)電場微觀選址方法研究

王 蕊1，楊 楠2

1.中國電能成套設(shè)備有限公司，北京 100086 2.北京潔源新能投資有限公司，北京 100083

復(fù)雜地形的風(fēng)能資源形成原因和特征眾多，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)點(diǎn)位的確定考慮因素眾多。現(xiàn)場微觀選址的方法和注意事項(xiàng)，關(guān)乎風(fēng)電場建設(shè)。復(fù)雜地形風(fēng)電場中微觀選址過程中地形圖的外延、測風(fēng)數(shù)據(jù)的選取、粗糙度的設(shè)置、移機(jī)需要考慮因素均會影響微觀選址的準(zhǔn)確性。該研究先給出復(fù)雜地形的定義和分類及特征，又詳述了復(fù)雜地形風(fēng)電場中微觀選址的方法，以案例的形式論述了復(fù)雜地形風(fēng)電場微觀選址的注意事項(xiàng)，為實(shí)際建設(shè)工作提供了幫助。

復(fù)雜地形；風(fēng)電場；微觀選址

復(fù)雜地形的風(fēng)能形成原因和特征眾多，在復(fù)雜地形開發(fā)建設(shè)風(fēng)電場，風(fēng)機(jī)位置的確定至關(guān)重要。在掌握了相對準(zhǔn)確的風(fēng)能資源的情況下，風(fēng)電場微觀選址的失誤造成的發(fā)電量損失和增加的維修費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對場址進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的費(fèi)用，給開發(fā)商造成重大損失。因此，復(fù)雜地形的微觀選址是關(guān)乎風(fēng)電場建設(shè)的重要的環(huán)節(jié)。

1 復(fù)雜地形的分類

復(fù)雜地形可分為兩類，一類是隆升地形，如山脊、山丘和山崖等，另一類為低凹地形，如山谷、盆地和山隘等。它們對風(fēng)特性均有不同程度的影響，由于地形復(fù)雜，在同一天氣系統(tǒng)下，各種不同地形條件下的風(fēng)速不同，就是在同一地形下，其不同部分的風(fēng)速也各異[1-2]。

復(fù)雜地形風(fēng)電場選址首先要判斷和區(qū)分地貌特點(diǎn)，確定其有利地形條件，然后再考慮障礙物和粗糙度對氣流的影響，以求在中、小尺度范圍內(nèi)選擇最佳的場址。

2 微觀選址的目的、作用及重要性

微觀選址的目的是在選定的區(qū)域中確定現(xiàn)場具體風(fēng)機(jī)排布，滿足業(yè)主和相關(guān)部門的要求，使整個風(fēng)電場具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

微觀選址是風(fēng)電場建設(shè)的最重要階段，主要任務(wù)是使用測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)場內(nèi)風(fēng)資源評估，計(jì)算出整個風(fēng)場的風(fēng)功率，進(jìn)而根據(jù)地形條件和風(fēng)分布進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型和風(fēng)機(jī)布點(diǎn)工作。

微觀選址是施工圖設(shè)計(jì)和征地的先決條件，也是發(fā)電量高低、項(xiàng)目收益好壞和風(fēng)機(jī)是否安全的決定因素。微觀選址的失誤可能會使項(xiàng)目投資增加，特別是復(fù)雜地形地貌條件下風(fēng)電場選址更需要仔細(xì)研究。如果選址不當(dāng)，兩臺相鄰200m的風(fēng)機(jī)，其輸出功率可能相差25%以上。因此，在項(xiàng)目開始建設(shè)前必須認(rèn)真細(xì)致的做好微觀選工作。

3 復(fù)雜地形微觀選址的主要方法及流程

3.1 微觀選址的主要方法

復(fù)雜地形風(fēng)電場微觀選址主要采用CFD模型模擬的方法[3]。CFD（計(jì)算流體力學(xué)）方法是指借助計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際流體，使分析者在沒有測量流體變量工具幫助的情況下，仿真和了解所給地點(diǎn)的流體流動。目前較為常用基于CFD方法的商業(yè)軟件有WT及WindSim[4]。

3.2 微觀選址的基本流程

微觀選址工作主要分為三大步驟：軟件模擬及優(yōu)化過程、現(xiàn)場定點(diǎn)微調(diào)、根據(jù)微調(diào)點(diǎn)位重新模擬計(jì)算。

4 實(shí)例

以山西某工程項(xiàng)目為例，簡要說明基于WT軟件的微觀選址的具體流程。

本風(fēng)電場工程位于山西復(fù)雜地形，海拔在1475～2147m之間。風(fēng)電場工程容量為49.5MW。風(fēng)電場所在區(qū)域由多道連續(xù)山梁組成，多為荒坡，有少量林地。

4.1 風(fēng)資源分析

首先通過對氣象站及風(fēng)電場內(nèi)三座測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整理出三座測風(fēng)塔完整一年的測風(fēng)數(shù)據(jù)。

4.2 軟件模擬及方案優(yōu)化

利用法國軟件Meteodyn WT輔助建立山體模型，其工作內(nèi)容包括：地圖標(biāo)定、等高線繪制、山體模型的建立、機(jī)位優(yōu)化、發(fā)電量計(jì)算等。

4.2.1 地圖標(biāo)定

經(jīng)過在風(fēng)電場踏勘過程中對關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行GPS點(diǎn)位核實(shí)后，地圖標(biāo)定精度滿足技術(shù)要求。

根據(jù)業(yè)主提供的CAD1∶2000測量地形圖，得到風(fēng)電場內(nèi)部山脊區(qū)域帶狀詳細(xì)等高線。為保證微觀選址結(jié)果的正確性，利用Global Mapper軟件衛(wèi)星等高線對1∶2000地形圖外圍區(qū)域等高線進(jìn)行了補(bǔ)充。

4.2.3 粗糙度描述

為了保證風(fēng)電場內(nèi)粗糙度取值的正確性，根據(jù)衛(wèi)星照片及現(xiàn)場考察情況對風(fēng)電場進(jìn)行了區(qū)域粗糙度描述。

4.2.4 軟件模擬

WT軟件包括求解過程、湍流模型、網(wǎng)格生成、邊界條件、求解器、熱穩(wěn)定度、綜合過程、湍流校正、多測風(fēng)塔分析、微觀選址等模塊。WT軟件通過三維模型的建立能夠較好的模擬實(shí)際的風(fēng)流，而用3座測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)與地形進(jìn)行匹配能提高對實(shí)際風(fēng)流模擬的準(zhǔn)確度。

根據(jù)繪制好的等高線、粗糙度文件，利用Meteodyn WT輔助建立山體模型見圖1。

圖1 風(fēng)電場山體模型

本工程初始布置方案中選用某風(fēng)機(jī)廠家82/1500（輪轂高度為70m）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。根據(jù)測繪圖和Globalmapper圖、業(yè)主提供的范圍及確定機(jī)型對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行布置，在限定的區(qū)域內(nèi)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的布置進(jìn)行優(yōu)化布置，并通過WT軟件計(jì)算對尾流較大的機(jī)組進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過優(yōu)化布置點(diǎn)位后，初步選出44個風(fēng)機(jī)點(diǎn)位。

4.3 現(xiàn)場定點(diǎn)及微調(diào)

動態(tài)規(guī)劃算法的基本思想：人員在原圖像上選擇特定的點(diǎn)作為初始點(diǎn)和終止點(diǎn)，對原始圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)變從而得到初始價(jià)格陣，目標(biāo)邊緣部分對應(yīng)位置的價(jià)格比較低，其他的價(jià)格較高，從初始價(jià)格陣和規(guī)定的初始點(diǎn)計(jì)算積聚價(jià)格陣，最終由終止點(diǎn)方向反向追蹤到初始點(diǎn)，最終獲得所需要的范圍詳情。以往的研究結(jié)論中運(yùn)用DP算法對于不同的醫(yī)學(xué)超聲圖像進(jìn)行分割并且得到了相對令人滿意的分割結(jié)果。文章對著種算法在醫(yī)學(xué)上的超生圖像進(jìn)行實(shí)際的分割操作，結(jié)果如圖一所示。

初步方案確定后，進(jìn)行現(xiàn)場定點(diǎn)及微調(diào)。主要工作為根據(jù)室內(nèi)工作優(yōu)化的機(jī)位坐標(biāo)，利用精密GPS進(jìn)行現(xiàn)場選址工作，對機(jī)位現(xiàn)場要進(jìn)行詳細(xì)的勘查，根據(jù)微觀選址的原則，再結(jié)合機(jī)位現(xiàn)場的施工條件、機(jī)位面積大小、是否滿足吊裝、道路修建難易程度、機(jī)位現(xiàn)場植被情況、機(jī)位周圍地形地貌、與其它機(jī)位的距離等因數(shù)，另外要考慮到風(fēng)電場內(nèi)已有道路、輸電線路、村莊、建筑物等，綜合考慮各種條件后，確定是否需要微調(diào)機(jī)位，或移動機(jī)位或放棄機(jī)位。確定機(jī)位后，用木樁進(jìn)行標(biāo)記，并采集坐標(biāo)，對機(jī)位情況進(jìn)行記錄、拍照等。

4.3.1 第一次現(xiàn)場踏勘

經(jīng)過第一次現(xiàn)場踏勘，原有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組點(diǎn)位基本位于多道連續(xù)的山梁上，大部分位置合理，落點(diǎn)較為準(zhǔn)確，只需要現(xiàn)場微調(diào)，但是部分點(diǎn)位需要舍棄。舍棄的原因有如下幾種：超出縣界范圍、風(fēng)機(jī)距離過近、施工難度較大、海拔較低、與另一風(fēng)電場送出線路沖突、林地難以批復(fù)、離居民居住區(qū)較近等。最終舍棄11個機(jī)位。

4.3.2 第二次踏勘

經(jīng)業(yè)主與國土、林業(yè)部門復(fù)核后，初步推薦的33個點(diǎn)位中有27個機(jī)位滿足國土、林業(yè)部門要求，1個點(diǎn)位微調(diào)后滿足。因此在業(yè)主將原有場址范圍略作擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，第二次進(jìn)場又補(bǔ)選了5個點(diǎn)位。

經(jīng)業(yè)主與國土、林業(yè)部門再次復(fù)核，補(bǔ)選的5個機(jī)位，通過微調(diào)均能滿足要求。

經(jīng)過現(xiàn)場定點(diǎn)及調(diào)整，最后確定33臺風(fēng)機(jī)點(diǎn)位排布方案。

4.4 單臺風(fēng)機(jī)荷載驗(yàn)算

隨后將微觀選址后33臺風(fēng)機(jī)點(diǎn)位提交風(fēng)機(jī)廠家進(jìn)行載荷安全性復(fù)核，廠家復(fù)核后確認(rèn)其中兩臺風(fēng)機(jī)點(diǎn)位僅能滿足77/1500（65m輪轂高度）型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷安全要求；其余31個點(diǎn)位可以滿足82/1500（70m輪轂高度）型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷安全要求。最終風(fēng)機(jī)布點(diǎn)方案混合排布，如下圖所示。

圖2 風(fēng)機(jī)點(diǎn)位布置圖

在充分分析現(xiàn)場風(fēng)能資源、地形地貌情況的前提下，結(jié)合Windfarmer、Globalmapper、WT多種軟件，根據(jù)現(xiàn)場選址情況，風(fēng)機(jī)廠家載荷驗(yàn)算以及國土、林業(yè)部門復(fù)核的結(jié)果，最終確定了33個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)位。

通過WT 軟件的測算，本工程年理論發(fā)電量為16642.95萬kW?h，綜合考慮空氣密度修正、尾流修正、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用率、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線影響、葉片污染損耗、線損及自用電損耗、湍流影響損失、氣候影響、偏航、計(jì)算誤差、周邊風(fēng)電場影響等各種損失后，結(jié)合計(jì)算出的本工程年理論發(fā)電量，得出本風(fēng)電場年上網(wǎng)發(fā)電量、滿發(fā)小時及容量系數(shù)等各重要指標(biāo)。

5 結(jié)論

復(fù)雜地形微觀選址準(zhǔn)確性影響到風(fēng)電場的安全和發(fā)電量，在微觀選址過程中有如下注意事項(xiàng)。

1）地形圖比例尺至少為1∶5000，要求地形圖等高線連續(xù)，各等高線賦高程值，地形圖中各要素要明確。

2）此根據(jù)實(shí)測地形圖范圍，補(bǔ)充至少外延5km范圍地形圖。

3）復(fù)雜地形風(fēng)能資源變化多端，模擬準(zhǔn)確性欠佳，因此需要收集盡可能多、盡可能完整、有代表性的測風(fēng)數(shù)據(jù)。

4）對于復(fù)雜地形要盡量多選出備點(diǎn)機(jī)位。

5）利用精密GPS進(jìn)行現(xiàn)場選址工作，對機(jī)位現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)的勘查，是否移機(jī)需結(jié)合機(jī)位現(xiàn)場的施工條件、機(jī)位面積大小、施工平臺及難度、道路修建難易程度、機(jī)位現(xiàn)場植被情況、機(jī)位周圍地形地貌、與其它機(jī)位的距離、風(fēng)電場內(nèi)已有道路、輸電線路、村莊、建筑物綜合條件。

6）通過現(xiàn)場調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)粗糙度未來的變化趨勢，為風(fēng)電場長期發(fā)電量預(yù)測提供參考。

[1]王蕊，朱瑞兆，等.復(fù)雜地形風(fēng)電場測風(fēng)塔代表性判定方法研究[J].風(fēng)能，2015（7）：66-69.

[2]陳平.地形對山地丘陵風(fēng)場影響的數(shù)值研究[D].浙江大學(xué)，2007.

[3]趙永鋒.復(fù)雜地形風(fēng)場CFD模擬方法研究[M].華北電力大學(xué)，2011.

[4]陳愛，劉宏昭，楊迎超，等.復(fù)雜地形條件下風(fēng)力機(jī)微觀選址[J].太陽能學(xué)報(bào)，2012（5）.

TK89

A

1674-6708（2015）149-0102-02

王蕊，碩士，工程師，工作單位：中國電能成套設(shè)備有限公司新能源業(yè)務(wù)部