某電廠對附近風電場的影響初步研究分析

劉登峰

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

關健詞：風電；影響；障礙物；發電量

1 工程概述

某電廠規劃裝機容量4×1000MW，分兩期建設，一期工程建設2×1000MW超超臨界、間接空冷、純凝式發電機組。推薦的柳溝廠址位于甘肅省酒泉市瓜州縣城東北約50km的戈壁灘上，場址西側2km處為中國龍源電力集團公司300MW風電場和酒泉千萬千瓦級風電基地首批開發項目中的北大橋第二、第三風電場（各裝機200MW）。某電廠及附近風電場由南向北依次布置有升壓站、主廠房和煤場，占地面積55hm2。其中廠房、冷卻塔和煙囪分別高50m、160m和240m，而且廠房和冷卻塔建筑物體積較大。該區域主風向為東風，可能對西側風電場造成一定影響。為此，就某電廠對附近風電場的影響專題進行了初步研究分析，如圖1所示。

圖1 某電廠及附近風電場平面布置圖

2 區域氣象及風資源

酒泉地區南部為祁連山脈，北部為北山山系，中部為平坦的戈壁荒灘，形成兩山夾一谷的地形，成為東西風的通道，風能資源十分豐富。

2.1 瓜州氣象站

瓜州縣氣象站位于瓜州縣城北門外，東經95°46′， 北緯40°32′， 海拔高程1171m。 瓜州氣象站于1951年1月設立，屬國家基本氣象站。

瓜州縣屬大陸性中溫帶干旱性氣候，根據瓜州氣象站1971-2000年30年氣象資料統計，年平均氣溫8.8℃，年平均氣壓884.2HPa，年平均水汽壓5.3HPa，年平均降水量53.6mm，沙塵暴日數6.9d，雷暴日數6.6d。瓜州氣象站氣象要素統計見表1。

瓜州氣象站風向玫瑰圖如圖2所示。從圖2可看出，瓜州氣象站風向以東風為主。

圖2 瓜州氣象站風向玫瑰圖

表1 瓜州氣象站氣象要素統計表（1971～2000年）

2.2 風電場測風資料

2.2.1 測風塔情況

為開發該區域風能資源，該風電場場址附近先后設立了3座測風塔。各測風塔基本情況見表2，各測風塔地理位置圖如圖1所示。

表2 各測風塔基本情況表

2.2.2 測風數據檢驗與處理

為了有效評估本風電場風能資源，本次對原始測風數據進行了驗證，對其完整性和合理性進行了判斷，檢驗出不合理的數據和缺測的數據。

按照GB/T18710-2002《風電場風能資源評價辦法》，采用北京木聯能軟件公司編制的《風電場測風數據驗證和評估軟件》2.0版本對各測風塔的實測數據分別進行完整性檢驗、范圍檢驗、相關性檢驗和風速變化趨勢檢驗。

檢驗后列出所有不合理的數據和缺測數據及對應的時間，對不合理數據再次進行判斷，挑出符合實際情況的有效數據，回歸原始數據組。各測風塔數據檢驗結果統計見表3。

表3 各測風塔測風數據檢驗統計表

2.2.3 測風數據插補延長

4738#與1304#測風塔直線距離59.1km，其間地勢開闊，地形平坦。對4738#與1304#測風塔同期70m高風速分別進行相關性分析。4738#與1304#測風塔70m高風速總體相關系數0.818，主風向相關系數大于0.810；1304#與4738#測風塔70m風速相關分析圖如圖2所示，相關方程及相關系數見表4。

本次采用1304#測風塔70m測風數據相關插補4738#測風塔缺測數據，得到4738#測風塔2007-06-12～2008-06-13一整年的測風數據。相關插補后4738#測風塔不同高度月平均統計見表5。

表4 1304#與4738#測風塔70m高度同期風速相關性分析

表5 4738#測風塔插補延長后不同高度月平均風速統計表 單位：m/s

2.2.4 測風數據訂正

為得到一套反映該風電場長期平均水平的風速代表性數據，需借鑒瓜州縣氣象站長期測風資料對4738#測風塔(2007.06.13～2008.06.13)段測風數據進行訂正。

瓜州氣象站1991年以后年平均風速基本穩定，1991.07～2008.06平均風速為2.30m/s。而與現場4738#測風塔測風時段（2007.07～2008.06）瓜州縣氣象站平均風速為2.29m/s，與1991.07～2008.06（18年）平均風速持平。說明4738#測風塔測風時段（2007.07～2008.06）對長系列平均風速具有代表性，故本次不對4738#測風塔測風時段 （2007.07～2008.06）實測數據進行訂正。

2.3 風電場風能資源

2.3.1 平均風速及風功率密度

4738#測風塔不同高度月平均風速統計見表6，61.5m、65m高度風速由70m高度風速數據推算（切變指數取0.11），風向直接采用70m高度風向，見表6。

表6 北大橋4738#測風塔年月平均風速、風功率密度統計表 風速：m/s；風功率密度：W/m2

4738#測風塔61.5m高度年平均風速為7.08m/s，年有效風速（3.0m/s～20.0m/s）時數為7625h，平均風能密度為412W/m2。

2.3.2 風頻曲線及威布爾參數

風頻曲線采用威布爾分布，概率分布函數用下式表示：

式中：V為風速；A、K為威布爾參數。

用WASP9.0程序進行威布爾曲線擬合計算，得到4738#測風塔61.5m年平均風速為7.16m/s，平均風功率密度為421W/m2，威布爾參數A=8.1，k=1.83；65m年平均風速為7.21m/s，平均風功率密度為428W/m2，威布爾參數A=8.1，k=1.84。70m年平均風速為7.27m/s，平均風功率密度為439W/m2，威布爾參數A=8.2，k=1.84。4738#測風塔61.5m高度平均風速威布爾分布圖如圖3所示。由圖3可以看出，4738#-1304#測風塔61.5m高度風速分布基本符合威布爾分布。

圖3 4738#測風塔61.5m高度平均風速威布爾分布圖

2.3.3 風速、風向特性

1)風向。4738#測風塔61.5m高度全年各扇區風向和風能分布統計見表7。

從表7中可以看出，4738#測風塔61.5m高度主風向和主風能方向一致，以東（E）風的風向和風能頻率最高，風向頻率占全年的18.98%，風能頻率占全年的34.42%。

2)風速分布。4738#測風塔從風速分布看，風速主要集中在3.0～11.0m/s，占全年的70.36%,風能只占全年的38.41%；12.0～20.0m/s風速段占全年的16.44%，但風能占全年的60.45%；而大于21.0m/s的風速約占全年的0.08%，風能占全年的1.04%。4738#測風塔61.5m高度風速、風能頻率分布統計見表8。

表7 4738#測風塔61.5m高度全年各扇區風向和風能分布統計

表8 4738#測風塔61.5m高度風速、風能頻率分布表

3）風速的年內變化。通常情況下，本地區年內2～5月風速較大，7月～10月風速較小。也就是說，夏秋季風小，冬春季風大。

4）風速的日變化。44738#測風塔就總體情況看，一般晚上8、9點鐘風速逐漸加大，至凌晨2、3點鐘風速最大，早晨風速逐漸減小，至中午12點鐘左右風速最小。

2.4 風能資源綜合評價

從以上分析可知，該風電場以東（E）風的風向和風能頻率最高，盛行風向穩定。風速春季大，夏季小。61.5m高度風速頻率主要集中在3.0～11.0m/s,3.0m/s以下和21.0m/s以上的無效風速和破壞性風速少,年內變化小，全年均可發電。用WASP9.0軟件推算到預裝風電機組輪轂高度61.5m年平均風速為7.16～7.56m/s，平均風功率密度為421～497W/m2。

由瓜州氣象站近30年資料推算61.5m、65m和70m高度50年一遇極大風速分別為50.7m/s、51.0m/s和51.4m/s,小于52.5m/s。15m/s風速段湍流強度介于為0.05～0.07,小于0.1，湍流強度較小。

根據《風電場風能資源評估方法》判定該風電場風功率密度等級已超過3級，說明該風電場風能資源比較豐富,可用于并網型風力發電，具有一定的開發前景。

3 某電廠對風電場發電量影響計算

3.1 某電廠平面布置

某電廠推薦的廠區總平面布置由南向北依次布置有升壓站、主廠房、煤場三列式布置格式。主廠房固定端朝西，擴建端向東，750kV出線向南。

廠區根據工藝及管理要求，廠區輔助生產和附屬建筑物圍繞主廠房及固定端并靠近相關設施成團布置，并采用路網隔斷為若干功能小區，詳述如下：油庫、油泵房、泡沫迸房形成油庫區；材料庫形成材料區；灰庫、氣化風機房形成灰庫區。渣倉布置在鍋爐房兩側；綜合檢修樓形成檢修區；鍋爐補給水處理室、化驗樓、生水箱、除鹽水箱及廢水池、水箱、循環水加藥加氯間、高位酸堿儲備間、廢水澄清泥渣濃縮間等形成化水區及廢水區；辦公樓、值班室、食堂和浴室形成廠前區；制氫間、貯氫罐形成制氫站；以上均在固定端外布置。循環水預處理區、綜合水泵房及蓄水池、凈化站等各自成區并靠近間冷塔布置；污水處理站布置在廠區南側最低點；汽機房外布置主變、廠高變、啟備變形成變壓器區；煙囪后形成脫硫設施區。間冷塔采用一機兩塔，本期四個塔成品字型布置在主廠房西南側，靠近主廠房布置。本期廠區占地面積55hm2，某電廠總平面布置如圖4所示。

圖4 某電廠總平面布置

3.2 風電場平面布置

某電廠場址西側2km處為中國龍源電力集團公司300MW風電場和酒泉千萬千瓦級風電基地首批開發項目中的北大橋第二、第三風電場（各裝機200MW）。

中國龍源電力集團公司風電場計劃安裝214臺單機容量1500kW的風力發電機，其中33臺GW77/1500風力發電機(輪轂高度65m，葉片直徑77m)，181臺GW82/1500風力發電機(輪轂高度70m，葉片直徑82m)，總裝機容量321MW。風機東西之間間距770m，南北之間間距385m，成梅花型布置。

北大橋第二、第三風電場位于龍源風電場北側，兩風電場之間間距約2600m。北大橋第二風電場設計安裝134臺單機容量1500kW的FD77B風力發電機 (輪轂高度61.5m，葉片直徑77m)，總裝機容量201MW。風機東西之間間距690m，南北之間間距350m，成梅花型布置。

北大橋第三風電場設計安裝134臺單機容量1500kW的SL1500/82風力發電機 (輪轂高度70m，葉片直徑82m)，總裝機容量201MW。風機東西之間間距740m，南北之間間距360m，成梅花型布置。

3.3 某電廠對風電場發電量影響計算

3.3.1 計算軟件

本次分析計算采用目前國際上應用最廣的風能資源分析軟件——風圖譜分析及應用軟件WASP(Wind Atlas Analysis and Application Programs)，WASP是由丹麥國家實驗室風能應用開發部開發出來的風能資源分析處理軟件。

WASP對某地區進行風能資源評估分析時，不僅可以分析山丘以及復雜場地引起的風的變化，而且可以計算由附近建筑物或障礙物所引起的風機發電量的變化。本次分析計算采用WASP11.0版本。

3.3.2 建筑物尺寸處理

地面障礙物如建筑物、防風帶等對風速、風向產生的衰減影響與障礙物到測風點的距離以及障礙物和測風點的高度有密切關系，另外，還與障礙物的孔隙度有一定關系。為了便于計算，一般將障礙物近似為具有一定長度、寬度和高度的矩形物來考慮。某電廠中建筑物設置參數見表9。

表9 某電廠影響分析WASP計算中建筑物設置參數表

表10 某電廠對風電場發電量影響統計表

3.3.2 發電量影響計算

根據4738#測風塔(2007.6.13～2008.6.13)風速資料、風機布置方案及1：50000地形圖，采用各風電場選用機型當地空氣密度下的功率曲線和推力系數曲線，利用WASP9.0軟件進行發電量計算，得到風機的理論年發電量和風機尾流干擾后的年發電量。

某電廠對風電場發電量影響統計見表10，由表可以看出，當某電廠距離風電場2km時，某電廠對該區域風電場影響總體（平均）發電量減少0.7%，其中龍源風電場影響發電量平均減少1.32%，其中單機影響發電量最大減少9.2%。

4 結論

1）由于規劃等原因，目前僅對3個風場700MW風電裝機影響用通過WASP11.0軟件計算。理論計算結果：某電廠對該區域3個風場發電量平均影響減少0.7%，其中龍源300MW風場發電量平均影響減少1.32%，隨著與電場的距離增加發電量影響減弱，單臺機發電量最大影響減少9.2%。

2）目前該地區風電場上網電量計算中，葉片污染對發電量的影響僅考慮了1%（葉片污染影響也包含其它工業影響），某電廠運行中的排放物及灰場、煤場對風機的葉片可能造成一定的污染，對發電量有無影響及影響程度目前很難定量得出。