測風塔代表性對復雜地形風電場風能資源評估的影響

楊富程，韓二紅，王彬濱，劉海坤，黃博文

(四川電力設計咨詢有限責任公司，610094，成都)

0 引言

風電場風能資源評估是關乎風電場建設的重要環節，而影響風能資源準確評估的又是測風塔的測風數據，因此，測風塔的代表性對風電場的風能資源評估至關重[1－3]。復雜地形風電場由于受到地形地貌、地勢、下墊面以及山體走向等多種復雜條件的影響，風電場不同區域的成風條件、風況特征也不同[4－5]，復雜地形風電場測風塔所能代表區域的風能資源十分有限，若僅采用某一點或幾點的測風數據為代表，風能資源評估具有很大的不確定性[6－7]。因此，需要在風能資源不確定的典型區域加密測風塔，以便準確評估整個風電場風能資源的分布情況，保證微觀選址及風機選型與布置、發電量評估的準確性，進而降低風力發電項目開發建設的投資風險[8－9]。

復雜地形風電場風能資源評估最重要的一點就是測風塔是否具有代表性，只有測風塔具有代表性才能真正客觀、準確地評估風電場風能資源情況。本文通過已投運的復雜地形風電場實際運行的SCADA數據，采用不同擬定的方案，利用Windsim軟件對該風電場進行風能資源評估，計算不同擬定方案下風電場機位平均風速和可利用小時數的相對誤差，分析了復雜地形風電場測風塔對風能資源評估的影響，同時就復雜地形風電場測風塔的布設提出自己的建議，為復雜地形風電項目測風塔的選址工作起到一定的借鑒作用。

1 測風塔選址原則

復雜地形風電場由于其地形復雜，測風塔所能代表的區域往往有限，為能夠準確評估風電場區域風能資源，需要在風電場典型區域設立多座測風塔以降低風能資源評估的不確定性。因此，為節約項目前期投資同時降低風能資源評估的不確定性，在設立測風塔時應綜合考慮測風塔的代表性。

風資源是受地形影響最大的氣象要素，受地理位置、下墊面特征及周圍環境的影響很大，但就同一風電場，其大氣結構和地貌特征基本一致，所以其地形特征就決定了風電場不同區域的風能資源特性，因此測風塔代表性可根據地形特征相似原則和測風塔代表區域半徑范圍界定[10]。

根據國家以及行業的有關技術標準和規定[11－13]，測風塔位置應在風電場中具有代表性，能夠基本代表風電場的風況，并且周圍開闊;測風塔位置應選擇在風電場主風向的上風向位置;在選擇測風塔位置時，附近應無高大建筑物、樹木等障礙物，如果無法避開，則與單個障礙物距離應大于障礙物高度的3倍，與成排障礙物距離應保持在障礙物最大高度的10倍以上;地形較為平坦的風電場測風塔控制半徑不宜超過5 km，地形較為復雜的風電場選擇不同地段場址安裝測量設備測風塔控制半徑不宜超過2 km等。

2 工程實例

2.1 工程概況

為進一步分析和論證測風塔代表性對復雜地形風電場風能資源評估的影響，以西南地區某49.5 MW復雜山地風電場為例，該風電場海拔位于2 100～3 350 m之間，地形復雜，風電場內海拔變化較大。風電場前期設計階段有3座測風塔(A、B和C)，設計階段根據3座測風塔推算的風電場33個機位發電量均相對較好。但根據現階段收集到風電場風力發電機組M1～M33的近3 a運行數據，部分風機發電量偏低。M1～M8風機和M21～M33風機所在區域主風向基本一致，為SW;M9～M20由于受周圍地形的影響，主風向為SSW。

本次擬采用風電場運行后的風電機組SCADA數據進行風電場風能資源評估和發電量分析，并結合風電場地形地貌等情況，進一步分析測風塔布設位置的代表性對風電場風能資源評估的影響。但需要說明的是，風電機組SCADA數據是受風電場運行以及尾流干擾后的數據，與實際風機點位處的風能資源情況存在一定的偏差，論文通過采用3年的SCADA數據以盡可能降低其影響，提高SCADA測風數據的可信度。

圖1 風電場地形圖和風電機組布置圖

2.2 CFD模擬試驗方案

Windsim軟件是一款基于CFD和邊界氣象學方法，模擬分析風電場區域風能資源特性的風電場專業工具。Windsim采用CFD方法進行空間風流模擬，求解三維Navier－Stokes方程，并應用合適的湍流模型和邊界條件對風電場目標區域的風流特性參數進行求解計算。已有研究表明Windsim軟件對復雜地形條件下的風電場風能資源具有一定的模擬能力[4，14－15]。

通過風電場1∶10000和1∶50000地形資料、GLC 30粗糙度數據、各機組SCADA數據以及風電機組布置圖，采用Windsim對風電場進行建模。Windsim設置風電場核心區域水平網格分辨率為25 m×25 m，垂直方向上的網格從地面到150 m共分為10層，150 m到邊界層為10層。

從地形上看，該風電場屬于隆升的地形，風電場盛行風向SW和SSW吹過山脊時，山底的風速較小，山頂的風速最大，半山坡風速位于中間，但由于受地形影響，山頂、山底和半山腰的風速均不可能代表整個風電場的實際風速。因此，應根據風電場實際地形地貌、風機布置等情況，合理布設測風塔。為了能夠進一步分析風電場測風塔代表性對風能資源評估及發電量的影響，本次采用不同方案對風電場區域進行風能資源評估和風電場發電量差異分析。

根據地形特征相似和測風塔代表區域控制半徑范圍原則，M1～M5機位位于同一山脊上且高程變化不大，選取M4機位點作為該區域代表測風點;M6～M8位于主山脊的一個分支山脊上且高程變化不大，選取M7機位點作為該區域的代表測風點;M9～M20位于同一山脊且高程變化相對不大，選取M15機位點作為該區域的代表測風點;M21～M33位于同一山脊，海拔逐漸降低且變化較大，根據地形相似原則，選取M21～M25和M26～M33兩段，其中M21～M25選取M23機位點作為該區域的代表測風點;M26～M33選取M30機位點作為該區域的代表測風點。

圖2 風電場各風機點位高程

擬定方案1:輸入所有已運行風力發電機組(M1～M33)SCADA數據對風能資源進行評估分析。

擬定方案2:僅輸入海拔較高的風力發電機組(M5)SCADA數據對風能資源進行評估分析。

擬定方案3:僅輸入海拔較低的風力發電機組(M33)SCADA數據對風能資源進行評估分析。

擬定方案4:僅輸入平均海拔的風力發電機組(M15)SCADA數據對風能資源進行評估分析。

擬定方案5:輸入代表性測風點的風力發電機組(M4、M7、M15、M23和M30)SCADA數據對風能資源進行評估分析。

2.3 測風塔代表性對風能資源評估影響對比分析

2.3.1 風電場風能資源分布 方案1由所有風電機組(M1～M33)測風數據進行風電場風能資源評估，因此方案1基本可以客觀準確地評估整個風電場的風能資源分布情況。由方案1風能資源分布圖可以看出，風電場區域風能資源好的區域位于風電場兩條主山脊的高海拔區域，風速基本隨海拔高度的增加而逐漸增大，風電場區域風機點位風速最高值位于M21風機處，風機點位風速最低值位于M33風機處;風電場M6～M8所在區域海拔較高，但是實際風速遠低于M1～M5風電點位的風速，經分析主要是由于M6～M8風機機位所在的分支山脊受到主風向上較高山脊的遮擋效應引起的;M9～M20和M21～M33風機點位海拔基本呈現逐步下降的趨勢，與此同時風機所在點位風能資源也呈現下降的趨勢。

圖3 方案1風電場風能資源分布圖

2.3.2 不同方案下風能資源分布對比分析 圖4為不同方案下風能資源分布圖，為能夠清晰對比，本文將4種方案的風能資源圖譜的色帶圖例調為一致。由圖4可知:不同方案推算模擬的風能資源隨海拔變化趨勢基本一致，海拔較高的區域風速較高，海拔較低的區域風速較低;方案2和方案3所在測風塔位于相同山脊，但是由于所輸入測風塔所在的海拔差異較大，模擬的風電場區域風能資源差異很大，方案3所模擬的風電場風能資源嚴重偏低，方案2模擬的風能資源較實際值偏高，且對M6～M8分支山脊的風能資源明顯高估，誤差較大;方案4所在測風塔位于下風向的另一山脊上，雖能夠較好地評估測風塔所在區域的風能資源，但對左側上風向山脊風能資源的模擬明顯偏高;方案5則考慮地形因素、測風塔代表區域控制范圍以及分支山脊受遮擋影響而采用5座測風塔評估風電場的風能資源，經分析，方案5基本能夠代表風電場風能資源的分布情況。

圖4 不同方案風電場風能資源分布圖

2.3.3 不同方案下發電量對比分析 通過不同方案計算風電場可利用小時數和各風電點位風速，具體計算結果見表1。方案1是根據所有風機點位風速推算實際風電點位處的發電量，經核實與風電場實際運行結果相差不大。

表1 不同方案下風速和可利用小時數推算結果及誤差分析

由表1可以看出，采用方案1推算出的風電場年可利用小時數為2 183.4 h，33臺機位平均風速為5.05 m/s;方案2中推算的機位平均風速和發電量結果均高于方案1，其中風速偏高9.9%，可利用小時數偏高19.6%;方案3推算的平均風速和發電量結果遠低于實際運行情況，其中風速偏低－27.1%，可利用小時數偏低－62.2%;方案4推算的平均風速和發電量結果與實際運行結果差別也較大，其中風速偏高41.0%，可利用小時數偏低53.1%;方案5根據地形特征相似和測風塔代表區域控制半徑范圍原則，采用代表性測風點可以較好地控制風電場平均風速和可利用小時數的推算誤差。

3 結論

風電場發電量的大小直接關系到風電場的收益水平和投資風險，影響著項目的整體決策。本文通過對西南已運行某復雜地形風電場的SCADA數據分析測風塔對風能資源評估分析可以得出以下結論。

1)復雜地形風電場由于地形條件復雜，為了能夠準確模擬風電場區域風能資源分布，降低風能資源評估的不確定性，降低項目投資風險，測風塔布設應綜合考慮地形、海拔、測風塔控制距離范圍、主風向以及遮擋效應等因素，合理布設代表性測風塔。

2)復雜地形風電場測風塔與機位點的海拔高度差宜控制在100 m以內;對于地形較為復雜的風電場，測風塔代表區域半徑一般不宜超過2 km;山脊較為平坦且高差變化相對較緩的風電場，測風塔控制半徑不宜超過3 km;對于風電場部分受微地形和遮擋影響的區域，還應加密布設測風塔。

3)一般而言，風速隨海拔高度的增加逐漸增大，但復雜地形風電場由于地形條件復雜，部分區域受地形原因，風速可能會隨海拔高度的增加而減小;測風塔應選擇在風電場主風向的上風向位置，測風塔位于下風向，很可能會出現對風電場發電量高估的現象;測風塔位置宜避開場址最高、最低以及其它與風電場主要地形、地貌或障礙物特征差異較大的地點。

4)對于復雜地形風電場而言，風電場測風的投資占建設總投資的比例很小，但對降低項目的開發投資風險具有重大的作用，因此，前期風電場的測風應引起足夠的重視。