淺談風電機組選型匹配的方法

內蒙古電力勘測設計院有限責任公司 孫立新

通過風能資源的全面普查和評估，內蒙古風能總儲量為8.98億千瓦，技術可開發量為1.5億千瓦，占全國風能資源技術可開發量的50%，居全國首位。內蒙古地區10米高度可開發利用的風能儲量為1.01億千瓦，50米高度可開發量為2.02億千瓦，年大于3.0米/秒風速的時間在5000～6000小時，風能豐富區面積占全區總面積80%左右，具有分布范圍廣、品位穩定度高等優點。內蒙古發展風力發電優勢明顯，風力發電項目遍地開花，成為發展新能源的主要市場之一。截止到2020年底，內蒙古風力發電并網裝機容量達3786萬千瓦，增長29.7%。

隨著全國風力發電機制造的國產化和風力發電的規模化，風力發電效率對風電場的運營有舉足輕重的作用和深遠的影響。我國風力發電場分布較廣，不同區域地理特征、氣候條件各不相同，風能資源條件差異較大，而我國風力發電機組是定型產品，僅能通過風電機組選型及適應性分析，確定風力發電場工程建設方案，未能完全反映出充分利用風能資源、提高發電效率及風電機組選型合適匹配。

1 風能資源評估過程及風電機組選型

評估風力發電場的風能資源，是開發風力發電項目的基礎工作。首先宏觀選址，需綜合考慮當地的風能資源、經濟、電網、交通、施工、地質等多方面的因素；其次評估風力發電場選址及風能資源適合開發性優劣指標，以求最大利用風能資源；其后對風力發電場風能資源進行分析、評估。

通過對風力發電場測風塔原始資料整理、驗證及測風年數據合理性檢驗處理，將測風年實測數據訂正為該風力發電場代表年風能數據，計算出測風塔處代表年不同高度的風速、風功率密度、風能頻率分布、風向頻率、風能密度方向分布、風頻曲線、威布爾參數、風切變指數及湍流強度。

評估風力發電場風能資源包括平均風速、極限風速。對給定的風力發電場區域及時間段，平均風速的概率分布決定了該風力發電場的風能資源情況。用于擬合平均風速概率分布的模型有雙參數Weibull 分布、Rayleigh 分布、LogNormal 分布等，其中雙參數Weibull 分布模型應用最為廣泛。極限風速是指在一段時間(3s、10min）內的最大風速，用來衡量風能資源對風力發電場的破壞作用。極限風速分布是風力發電場工程設計以及安全運行的一個重要參數，有多種描述極限值分布的分布形式，其中第一類極值分布或稱為Gumbel 分布是一種擬合極值分布的經典、常用形式[1]。

通過確定風電機組單機容量、發電機類型、風機輪轂高度，考慮風電機組安全的統一性進行風電機組選型，根據風電機組機型的技術特征參數，擬定風電機組布置，利用在標準空氣密度下的風電機組功率曲線，對風電機組發電量、經濟性，以及運輸、吊裝條件、集電線路、占用土地等方面對比，初步確定風電機組型式，最后對選定風電機組機型進行機位優化布置[2]。

在擬定風機輪轂高度時，首先確定風機輪轂高度處風能資源狀況，即輪轂高度處代表年平均的風速、風功率密度及等級、風向頻率、風能密度方向分布、風頻曲線及威布爾參數、湍流強度值及50年一遇最大風速和極大風速，并提出對風電機組安全等級要求。當風機輪轂高度高于測風塔高度時，利用風力發電場代表年不同高度風速系列擬合風機輪轂高度處風切變值，采用指數律對測風塔近地面風廓線分布規律進行擬合。

風切變指數計算：?=lg(v2/v1)/lg(h2/h1)，其中：?為風切變指數，無量綱；v1為h1高度的風速，m/s。風切變指數可描述風矢量在垂直方向上的空間變化情況，風電機組選型時，風切變越大，在滿足機組運行安全與施工條件下，應提高輪轂高度。陜西省某50MW 風電場工程擬定風機輪轂高度90米，選取單機容量2200～2500kW 共4種不同類型風電機組進行比選（表1）。

表1 風電機組機型特征參數表

圖1 風電機組功率曲線圖

圖2 風電機組功率標幺曲線圖

風電機組裝機方案一到四的機型為WTGS2200/WTGS2200/WTGS2500A/WTGS2500B；單機容量為2200/2200/2500/2500；總裝機容量（MW）為50.6/50.6/50/50；臺數為23/23/20/20；輪轂高度（m）為90/90/90/90；風輪直徑（m）為131/131/140/141；平均年理論發電量（GW.h）為8.616/8.609/9.881/9.881；尾流損失（%）為7.5/7.2/7.1/6.7。不難看出，在風力發電場總裝機容量及用地范圍不變情況下，風電機組風輪直徑和容量越小裝機臺數就越多，其尾流影響越高發電能力越低。相對WTGS2500B 機型雖然風輪直徑最大、尾流影響最低，但其發電能力未得明顯提高，這就需要解決風電機組選型匹配問題。

2 風電機組適應性分析

風電機組適應性分析是在確定風能資源評估結論和風電機組機位情況下進行，故需進行微觀選址工作，并復核風機輪轂高度處風能資源評估結果。微觀選址時需要考慮風電機組設備實際運輸能力、吊裝平臺和基礎施工的可行性，并優化風電機組機位。

風力發電場空氣密度直接影響風能的大小，在同等風速條件下，空氣密度越高，風能越大。根據風力發電場測風塔的實測溫度和氣壓數據，推算風力發電場實際空氣密度計算公式為：ρ=p/(RT)，其中：ρ 為空氣密度，kg/m3；p 為平均大氣壓，Pa；R 為空氣常數，287J/kg.K；T 為絕對溫度，零下273.15℃。

按照《風電設備制造行業準入標準規范》要求，選用國產風電機組應具有一定先進性，一般風電機組動態功率曲線保證率不低于96%，可利用率不低于96%。根據風電機組輪轂高度處代表年平均風速、平均風功率密度、標準空氣密度下50年一遇最大風速及極大風速、14.5～15.5米/秒時的湍流強度和國家標準《風力發電機組設計要求》（GB/T18451.1-2012/IEC61400-1:2005），按表2確定風電機組安全等級。陸地風力發電場為非近海安裝的風電機組，可按一般安全等級要求風電機組[3]。

表2 風電機組等級基本參數表

最終確定風電機組選型、風電機組機位后，根據風力發電場實際空氣密度下風電機組的功率與推力曲線，重新計算各發電機組實際發電量。風電機組設備廠商計算20年壽命下各部件等效疲勞荷載，確定風電機組機型是否適用于該風場。

3 風電機組選型匹配

我國生產的風電機組是定型產品，僅能通過風電機組適應性分析確定風力發電場工程建設方案。風力發電場工程設計經驗表明，即使在同一風電場中（如擴建、續建），盡管風能資源大體相同，采用常用的“風電場年等效滿負荷小時數”和“風電場容量系數”僅客觀反映出風力發電場風能資源的特性，用來判定不同特性的風電機組獲得的風能資源利用效益確有較大差別，參數越高反映風能資源越豐富，顯然與實際情況不符。

任何能量形式轉換均有轉換效率。風電機組并不能將所有流經的風能轉換成電能，理論上最高轉換效率為59%。受諸多因素的影響不同風速條件下風電機組發電最高效率是不同的，發電效率隨風速特性的不同而變化，實際風電機組效率在20～50%之間，變化幅度極大。為能解決風電機組選型匹配問題，在風電機組發電效率定義基礎上，本文引入“風電場發電效率”和“風電機組容量系數”概念，能較準確判別風電機組選型匹配優劣。

3.1 風電場發電效率

在單位時間內流過垂直于風電機組掃風面積的風能，即風功率為：w=1/2ρv3A，式中：w 為風能，W；ρ 為空氣密度，kg/m3；v 為風速，m/s；A 為風輪掃掠面積，m2。風輪從風中吸收的功率為：P=1/2CPAρv3，式中：P 為風電機組的輸出功率；CP為風輪的功率系數，貝茲極限CP=16/27≈0.59；A 為風輪掃掠面積，m2；ρ 為空氣密度,kg/m3；v為風速，m/s。

風電場發電效率定義為η=AEP/E，其既考慮了輪轂高度處年平均風功率密度，又考慮了風電機組的掃風面積、功率特性和推力系數重要特征參數。風電場發電效率越高，說明選擇的風電機組利用風能資源的效率越高。

3.2 風電機組容量系數

一年8760小時內全部風電機組滿負荷運行，不考慮尾流效應的理論發電量為：Q=n×8760×Prated，式中：n 為風電機組臺數；Prated為風電機組的額定容量，W。風力發電場實際的年理論發電量為：，式中：P(v)為風電機組在風速為 的發電功率，W；f(v)為風速分布概率，一般為威布爾（Weibull）分布；v1為風電機組切入風速，m/s；v2為風電機組切出風速，m/s。風力發電場年理論發電量可采用常規的WAsP、WT 等軟件計算得到。

風電機組容量系數定義為，其考慮了輪轂高度處風速特性與風電機組的功率特性的匹配性。風電機組容量系數越高，說明選擇的風電機組滿負荷運行的時間越長。

綜上，風力發電場工程建設，風電機組運營效益具有舉足輕重的作用和深遠的影響。影響風力發電場發電量的主要因素是風能資源利用與風電機組選型匹配和風電機組布置方案。對于一個特定的風力發電場風能資源是無法改變的固有條件，按照風能資源評估方法完成風能資源評估不會出現較大的差異；而風電機組選型與布置方案直接影響風力發電場發電效益，采用統一的“風電場年等效滿負荷小時數”和“風電場容量系數”指標，未能完全反映出風能資源利用與風電機組發電經濟效益。