基于WT與WindPRO的風場風能評估與微觀選址

黃權開 盧成志 劉永生 趙章樂 馬東

摘要：為了提高復雜地形風電場建設和運行時期的經濟性，需要對風能資源評估和微觀選址進行研究。以安徽省東至風電場項目為例，基于計算流體力學方法，提出了一種使用WT和WindPRO兩款風資源專業軟件相結合的新方法。根據場區內3座測風塔實測完整年測風數據，完成了場區風能資源評價、風能資源圖譜計算、發電量計算和經濟性比較，選出了性能及經濟性均占優的機型和布機方案。結果表明：① WT計算的風能資源圖譜精確，最終的發電量計算結果較WindPRO計算結果更貼近實際;② WindPRO在微觀選址和確定布機方案方面有很好的優勢，為WT的發電量計算提供了良好的風機坐標。研究結果可為實際的工程設計工作提供參考。

關 鍵 詞：

風能資源評估; 微觀選址; WT; WindPRO; 復雜地形

中圖法分類號： TM614

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.015

0 引 言

發展持續可再生的風力發電事業越來越受到世界各國的重視，在風電的開發和建設過程中，最基本的客觀條件是所開發的區域具有較豐富的風能資源，風速、風向穩定的特點才具備開發前景[1]。其中，風能資源評估和風電機組微觀選址是最重要的前期工作，確保對開發區域風能資源充分合理利用。在風能資源不斷開發的進程中，風電場規劃選址從最初的平坦地形（平原、戈壁灘）、風速、風向穩定、易施工建設區域向地形復雜、影響因素多、開發難度大的區域延伸[2]。

風資源評估的商業軟件中，WAsP及基于WAsP開發的WindPRO為代表的相關軟件適用于地勢平坦區域，對復雜地形的風資源情況處理結果與實際工程應用存在一定偏差。目前，我國已有學者對WAsP軟件的線性模型進行改進研究[3]，但仍缺乏專門解決復雜地形風資源評估的非線性模型。Meteodyn WT（WT）軟件能對復雜地形風能資源做較精確的評估，它是以計算流體力學（CFD）為核心方法來進行建模評估復雜地形風資源的專業軟件。實際工程中，WT對復雜山區的風能資源評估與實際情況更為貼合，能很好保證復雜地形條件下計算結果的準確性，得到規劃場區的整體風能資源情況。馮長青等[4]對WT 與WAsP的適用性進行了研究，選擇3個復雜地形的風電場進行計算和對比，計算結果顯示WAsP對風電場風資源評價過高，WT對復雜地形的風資源計算結果更貼近實測值，偏差較小，對風電場的發電量預測具有更好的參考性。國內學者和工程人員利用WT對河谷[5]、山區[6]等復雜地形的風資源評估和微觀選址進行研究，證實了WT能更準確反映山地、河谷等復雜地形的風能資源情況和更有助于開展風電場的設計優化工作。

本文基于計算流體力學（CFD）方法，提出WT與WindPRO相結合的新方法，對復雜地形風電場進行風能資源分析和微觀選址研究，并以東至山地風電場的完整年測風數據為基礎開展實際工作。

1 計算方法和流程

WT進行風資源分析時，使用的計算流體力學方法是利用流體定常且不可壓縮模型[7-10] 求解邊界條件Navier-Stokes方程和連續方程來得出風電場風能資源分布網格。本文借助現有的風能資源分析軟件WT開展風能資源分析研究：第一步，輸入地形圖和粗糙度文件，輸入測風塔坐標，設定扇區數和計算精細度進行定向計算得出場區空間點的風流特征和場區的3D可視化圖譜。第二步，輸入測數據文件（包括風速、風向、標準偏差等數據）進行單塔或多塔綜合計算得到風資源網格圖譜[11]。第三步，輸入風電機組坐標進行理論發電量計算。

另外，WindPRO軟件能很方便地實現風電場優化選址和機位排布，并且可以直接使用WT軟件定向計算得出風能資源圖譜，根據圖譜進行布機優化導出風機點位，并且提供給WT軟件進行發電量計算。因此，當進行復雜山地的風電場風資源分析及微觀選址工作時，WindPRO軟件既能保證風資源分析的精確性，又能提高便利性，提高工作效率。需要說明的是，在最后進行發電量計算時，WindPRO完成微觀選址后就可計算出發電量，而再用WT計算發電量的原因是復雜地形條件下選用WT可以盡量避免軟件計算產生誤差，WT的發電量計算結果更精確。方法實現的具體流程如圖1所示，通過該方法可對復雜山地風電場進行風能資源評估與微觀選址。

整個過程需要注意的是，進行場區風資源圖譜定向計算的關鍵在于計算網格精度的劃分，網格劃分不當會影響最終的定向計算結果。若網格水平分辨率設置過大會影響計算精度，導致最后進行發電量計算時出現較大誤差;設置過小又會使網格劃分過密，雖然對發電量影響不大但會使得定向時間過長，不利于工程的實際開展。為了確保計算精度以及不使計算時間過長，水平分辨率設置范圍在20～50 m，在此精度下最后的發電量計算變化較為穩定，誤差在1%以內[12]。考慮到項目的實際情況，在復雜山地且規劃區域不大、計算時間限制較小的情況下，水平分辨率可以設置較小，在20～30 m即可。同時，在生成網格的過程中，可以對想提高計算精度區域（如地形復雜或主風向區域）定義結果點，應用最小水平分辨率進行網格加密，確保區域準確度，不同密度的網格示意如圖2所示。

布機方面，首先可以在WindPRO上進行基于發電量最大化的軟件自動最優排布，然后根據項目限制因素進行人工手動調整機位，保證機組點位布置在場區范圍內風資源豐富區域。以上方法的具體過程通過下文風能資源評估和微觀選址兩大部分展示。

2 風能資源評估

場區的風能資源評估的主要步驟有：分析場區概況、處理測風數據（風向、風速、風功率密度、湍流強度等關鍵參數分析）、場區風資源圖譜分析。

2.1 風電場場區概況

該風電場位面積約10 260 hm2，場區地處山地丘陵區，地形復雜，山脈基本呈南北走向，海拔高程在150～430 m。風場范圍內有村莊、農田和林地分布，風力發電機組建設主要利用荒山等地形復雜區域，風電場規劃區域示意如圖3所示。

2.2 風電場測風數據處理結果

風電場內設3座測風塔，1號測風塔位于場區北側，2號測風塔位于場區西南側，3號測風塔位于場區東南側，高度均為80 m，采用NRG測風儀[13]。測風塔概況如表1所列。

結合風資源數據處理軟件Windographer，對風電場測風塔進行一個連續完整年實測數據的處理和分析，得到各項資源參數計算結果。由于擬選風機輪轂高度為90 m，因此在Windographer軟件上推測各塔90 m高度風速與風功率密度。對風能資源初步評價如下：

（1） 80 m高度，3座測風塔年平均風速為5.44，5.64，5.39 m/s，風功率密度為159，188，170 W/m2;

90 m高度，年平均風速為5.54，5.74，5.51 m/s，風功率密度為166，198，182 W/m2。風功率密度等級為1級，具有一定的風電開發價值[14]。

（2） 各測風塔平均風速變化波動較小，在

5～6 m/s之間，8月平均風速、風功率密度最小。1號測風塔2，7，9，11月風功率密度相對較大;2，3號測風塔9～10月風功率密度相對較大[15]。平均風速、風功率密度年變化情況如圖4～5所示。

日變化趨勢也基本一致，通常在10：00～16：00時，風速較小，風功率密度較低，在12：00，風速、風功率密度最低;在22：00～23：00，風速較大，風功率密度也較大。平均風速、風功率密度日變化情況如圖6～7所示。

（3） 各測風塔實測風速在1.5～12.5 m/s區間最集中，占80%以上，風能可利用風速區間大，風能質量較好，風速頻率密度分布如圖8所示。

（4） 各測風塔主導風向均為N～ENE及S，主導風能方向均為N～ENE及S，且比較集中，有利于風電場開發和建設，風電場風向玫瑰圖如圖9所示。

（5） 1，2，3號測風塔10～80 m高度的湍流強度隨高度增加而減小。各測風塔在80 m高度，15±0.5 m/s風速區間，平均湍流強度分別為0.074，0.105，0.135。NRG測風儀導出數據中有10 min平均風速V和10 min風速標準偏差σ。GB/T 18710-2002《風電場風能資源評估方法》中10 min湍流強度計算公式為

IT=σV （1）

式中：IT為湍流強度;

σ為10 min風速標準偏差，m/s;

V為10 min平均風速，m/s。

通過上式可求得相應區間的湍流強度。標準空氣密度下1，2，3號測風塔90 m高度在50 a一遇最大風速分別為35.5，35.8，35.4 m/s。根據IEC 61400-1風電機組等級基本參數表[16]，1，2號測風塔所輻射的區域可以選用IEC ⅢC類及以上等級風電機組，3號測風塔所輻射的區域可以選用IEC ⅢB類及以上等級風電機組。

2.3 場區風資源圖譜計算分析

在已經取得的測風數據基礎上，使用WT軟件對風電場風資源分布情況進行分析計算。網格劃分方式為等步長25 m，水平分辨率25 m，垂直分辨率5 m，不進行特定區域網格加密。輸入地形圖（實測1∶2 000與1∶10 000地形圖拼接）和粗糙度文件（WT自帶地理信息數據庫ESA_10arcsec_China粗糙度文件）定向計算，得到風能資源分布如圖10～11所示。

圖中橙黃色為風能資源較好的區域，風速區間為4.7～6.6 m/s;藍紫色表示風能資源較差的區域，風速在2.8 m/s以下;總體來看，地勢較高的區域風能資源較豐富。

3 微觀選址

風電場的微觀選址工作，包括風電機組選型、擬定機組布機方案以及風電場發電量計算并進行經濟性比較，確定最終布機方案。

3.1 機組選型

為了更好地與實際風電場產生更好的經濟效益，機組選型應適應各風機點位的分布特性和滿足并網要求。根據風電場區風能資源分布情況，場區內適宜布置風機的區域有限，單機容量較大的機型更符合選型要求。2 000～2 500 kW級的風電機組國產化程度高，技術成熟，許多具備了低電壓穿越功能，變槳距控制技術也很成熟，機組成本和建設投資適中[17]。因此，機型的單機容量選擇主要考慮輪轂高度為90 m 的2 000～2 500 kW級機組。

根據以上分析和該風電場的工程特性，初步選擇了4 個輪轂高度為90 m，不同型號的風電機組：WTG1、WTG2、WTG3、WTG4。直驅型機組為WTG1（2 000 kW）和WTG4（2 500 kW）;雙饋型機組為WTG2（2 000 kW）和WTG3（2200 kW），各風電機組功率曲線如圖12所示。

通過功率曲線對比可知，單機容量為2 000 kW的WTG1機組在3～6 m/s低風速段功率曲線性能較好，根據測風數據可知風電場年平均風速集中在5～6 m/s，機組發電特性與風場適應度較高，WTG4切出風速較高。

3.2 機組布機方案

機組的布機利用WindPRO軟件計算風能資源圖譜并且進行相關布機操作。

該項目規劃裝機容量150 MW，風能資源分布情況和具體地形條件是布機的依據。布機時，在風電機組垂直于主導風能方向上按照機組行距、列距間隔分別為5～9倍風輪直徑和3～5倍風輪直徑的要求進行布機，其目的是兼顧單機發電量和風電機組間的相互影響。最終擬定3種風電機組布置方案：即布置75臺單機容量2 000 kW風電機組的方案：68臺單機容量2 200 kW風電機組的方案;60臺單機容量2 500 kW風電機組的方案，分別如圖13～15所示。

3.3 發電量計算與經濟性比較

在WindPRO軟件上導出3種布機方案的風機坐標后，利用WT軟件進行發電量計算，得到各機型的發電量。在進行發電量計算的工程中，考慮尾流損失算得年理論上網電量，然后考慮實際運行中的能量損失[18]（尾流、空氣密度、控制和湍流、軟件計算誤差等）得出綜合折減系數為0.752，從而算得年實際上網電量和年等效利用小時數，最后進行各方案經濟性比較，詳細比較如表2所列。

在進行發電量計算的工作中，對上文假設“WindPRO軟件發電量計算結果較高”進行驗證。利用WindPRO軟件計算風電場發電量，結果如表3所列。

通過對比可得，WindPRO的計算結果較WT計算所得發電量高。當發電量評價過高且待建設的風電場達不到預期發電量時，會給工程項目帶來非常大的經濟損失。因此，本文所選擇的工程實例分析以WT的計算結果為參考。

WT計算結果中，WTG1機型方案年上網電量最高，說明其在該低風速型風電場對風能的捕獲性能較好，更適合該風電場。從單位度電成本來看，WTG1機型單位度電投資最低，技術經濟排序第1。

因此，推薦選用WTG1機型方案，風電場共布置75臺單機容量2 000 kW、葉輪直徑121 m、輪轂高度90 m的WTG1型風電機組，風電場年上網電量為29 190萬kW·h，布機方案即為75臺2 000 kW機組布置方案。

4 結 語

本文以安徽省東至復雜地形山地風電場為實例，對提出的WT、WindPRO軟件聯合使用進行復雜地形山地風能資源評估和微觀選擇方法展開具體研究。該方法對實際的工程設計工作效果很好，并且工作量不大，計算結果合乎實際情況，簡單易行。本文提出的新方法主要在以下兩方面展開應用。

（1） 風能資源評估方面。對風電場場區概況進行了客觀的分析，并結合收集到的測風數據進行風能資源初步評價之后，利用WT軟件進行場區風資源計算，得到合理的場區風資源圖譜。

（2） 微觀選址方面。依照得到的風資源圖譜在WindPRO軟件上對備選機型擬定3種布機方案;最后通過WT軟件對各方案的發電量計算和經濟性比較，確定了適合該風電場的風電機組型號和布機方案，為實際建設提供參考。

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（編輯：劉 媛）

Wind energy assessment and micrositing on wind farm based on WT and WindPRO

HUANG Quankai1，2，LU Chengzhi 2，LIU Yongsheng1，ZHAO Zhangle2，MA Dong2

（1.Institute of Solar Energy，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China; 2.Huadian Electric Power Research Institute Co.，Ltd，Hangzhou 310030，China）

Abstract：

In order to improve the economics during the construction and operation of wind farms of complex terrain，it is necessary to conduct research on wind energy resource assessment and micrositing.Taking the Dongzhi wind farm project in Anhui Province as an example，based on the computational fluid dynamics method，a new method using the combination of WT and WindPRO two professional software of wind resource is proposed.Based on the complete annual wind measurement data of the three wind measurement towers in the field，the wind energy resource evaluation，wind energy resource map drawing，power generation calculation and economic comparison are completed，and the wind turbines possessing superior performance and economic efficiency are selected.The results show that：①The wind energy resource map calculated by WT is accurate，and the final power generation calculation result is closer to reality than WindPRO′s results;②WindPRO has good advantages in wind turbines micrositing and layout scheme，it provides good wind turbine coordinates for WT′s power generation calculation.The research results can provide references for actual engineering design work.

Key words：

wind energy resource assessment;micrositing;WT;WindPRO;complex terrain