海上風電場每100 MW裝機容量不同用海面積的分析

滕麗霞，王 宇，孫 宇，劉 雪

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

隨著海上風電技術的發展，海上風電機組的單機容量不斷增大，2021 年我國新增海上風機單機平均功率為5.6 MW。2022 年招標的海上風機項目中，有超過85%的海上風電項目機組單機平均功率大于8 MW，平均功率超8.5 MW。目前全球單機容量最大的風電機組單機容量為16 MW，大型化趨勢明顯提速。我國海上風電資源開發有較大發展空間，受海上風電并網電價政策影響，多地陸續發布千萬千瓦級海上風電基地建設的消息。海上風電項目大基地建設和海上風電機組大型化是必然趨勢。

在風電場中，來流風速通過處于上游的風電機組后，風速降低、湍流強度增加，形成尾流效應［1-4］，使下游風電機組發電功率降低，疲勞載荷增加，影響風電機組的運行。隨著我國千萬千瓦級海上風電基地的建設，海上風電場的開發規模將更大、更集中，風機尾流相互疊加，風速恢復緩慢，尾流損失加重。在風機尾流方面，陳樹勇等［5］研究表明風機完全處于尾流區運行時，功率損失可達30%～40%；崔冬林等［6］基于實際運行的數據采集與監視控制系統（supervisory control and data acquisition，SCADA）數據提出，緩沖帶達到一定的距離會對風速的恢復有明顯的作用，緩沖帶距離在23D～44D（D為葉輪直徑），尾流損失電量降幅在4%～27%；溫建民等［7］使用激光雷達對陸上某風場單臺風機進行尾流觀測，分析不同來流風速下尾流區風速恢復速率。在風電場用海面積方面，胡恒等［8］分析我國海上風電用海特點及問題，提出合理界定用海面積，提高海域使用效率；張云等［9］提出應綜合考慮各種海上因素的復雜性和多變性以及海域空間資源的高效開發利用，優化海上風電用海項目的規劃布局，適當保持海上風電合理增長的區間和彈性。

以每100 MW裝機容量的用海面積作為變量，研究大基地條件下每100 MW 的不同用海面積的風機尾流情況，為海上風電場的前期規劃提供了重要的參考依據。

1 計算尾流模型

WAsP 軟件是目前國內外公認的對于平坦地形較為適應的軟件［10-14］，采用該軟件進行計算，該軟件采用的尾流模型為典型的Park 模型，如圖1 所示，該模型是根據質量守恒定理進行推導，在風力機下游x位置處尾流速度表達式為［15-16］

圖1 尾流模型原理Fig.1 Principleof wakeflow model

式中：u為風電機組下游x處的尾流風速；u0為來流風速；CT為風機的推力系數；R為風機盤面半徑；k為尾流擴散系數表示尾流的膨脹速率。

對于一個風電場來說，平均尾流是該風電場所有風機尾流的均值，最大尾流是該風電場所有風機尾流中的最大值。根據設計經驗，在計算海上風電機組尾流時，k的取值為0.04［17-18］。進行尾流計算分析時，僅考慮本風電場風機之間的相互影響。

2 邊界條件

2.1 每100 MW裝機容量的用海面積

參考國家海洋局發布的國海規范［2016］6 號文《關于進一步規范海上風電用海管理的意見》，單個海上風電場外緣邊線包絡海域面積原則上每100 MW裝機容量占用面積控制在16 km2左右［19］。海上風電項目大基地建設，使得單個海上風電項目的容量增加和風電機組的數量增加，風電場尾流增大，通過風電場的尾流分析探討在大基地建設的條件下，每100 MW 裝機容量占用海域面積控制在16 km2是否可以滿足風電機組運行。而容量相同的海上風電項目，海上風電機組單機容量增大，可以使得海上風電機組的數量減少，通過風電場的尾流分析，探討在未來大容量機組的條件下，是否可以降低100 MW裝機容量占用海域面積。因而以每100 MW 裝機容量占用海域面積分別為16 km2、15 km2、14 km2為例，進行風機尾流的分析計算。

2.2 風電場規模、風速和風機機型

進行每100 MW 裝機容量的用海面積分析計算時，主要考慮風電場規模、風電場形狀、風速、風向、風機機型等因素。考慮目前海上單座±500 kV換流站最大容量為2 000 MVA，選取風電場容量為2 000 MW進行分析。根據我國沿海地區風能資源分布特點，具備規模化開發的海上風電場風速大多介于7.0～9.0 m/s，采用130 m 高度風速7.8 m/s 進行分析，海上風切變較小，取值為0.08進行分析。目前海上風電場多采用8～8.5 MW機型，部分廠家推出了10 MW 及以上機型，考慮未來風機的發展，選用8.5 MW（WTG1）和13.6 MW（WTG2）的機型進行分析。

2.3 風向風能分布

參考風電場的風向和風能玫瑰圖，選擇風向和風能玫瑰圖較為集中和較為分散兩種情況，進行風電場尾流的計算。圖2 為國內某海上風電場風向和風能較為集中的風向和風能玫瑰圖，其中南北向（NNW—NNE 和SSE—SSW）風能概率為68.3%。圖3 為選擇的國內某海上風電場風向和風能較為分散的風向和風能玫瑰圖，其中南北向（NNW—NNE 和SSE—SSW）風能頻率為39.7%。

圖2 較為集中的風向和風能玫瑰圖Fig.2 Relativelyconcentrated rose diagrams of wind direction and wind energy

圖3 較為分散的風向和風能玫瑰圖Fig.3 Relatively scattered rose diagrams of wind direction and wind energy

2.4 場址形狀

海上風電場規劃須避讓保護區、港口、錨地、航道等各類禁止開發區域，場址形狀多樣，按照最有利和最不利布置風機的兩種極端情況，分別考慮垂直主導風向和平行主導風向的矩形場址進行分析計算。風機布置時按照風電機組行間距不小于3 倍風輪直徑，列間距不小于7 倍風輪直徑的原則進行風機布置［20］。按照上述布置原則，將兩種風機均勻布置，并由下至上依次排序。

利用統計學軟件包SPSS22.0對所得數據進行分析，使用百分率（%）對診斷結果進行描述，對比予以χ2檢驗，P＜0.05為差異具有統計學意義的標準。

選用的風向和風能玫瑰圖的主風向為南北風向。在以每100 MW 裝機容量占用海域面積分別為16 km2、15 km2、14 km2條件下進行風尾流影響分析，最有利的風電場場址形狀垂直于主風向即東西方向長的矩形，矩形的尺寸分別為100 km×3.2 km（場址1）、100 km×3.0 km（場址2）、100 km×2.8 km（場址3），如圖4 所示。最不利的風電場場址形狀平行于主風向即南北方向長的矩形，矩形的尺寸分別為10 km×32 km（場址4）、10 km×30 km（場址5）、10 km×28 km（場址6），如圖5所示。

圖4 場址1—場址3示意圖Fig.4 Schematic diagram of site 1—site 3

圖5 場址4—場址6示意圖Fig.5 Schematic diagramsof site 4—site 6

如圖6 所示，垂直主風向場址為進行風機排布時的最優場址形狀，兩種機型均布置兩排風機，風機間距大，尾流影響小。在進行風電場規劃時，一般會按照垂直于主風向來劃分場址，但是隨著海上風電場的發展和大基地風電場的到來，場址形狀多樣，風電場規劃時，場址形狀應盡量垂直于主風向，最不利條件下場址形狀可能會平行于主風向。考慮實際情況，即使在最不利條件下，場址布置的風機排數也不宜過多，對于平行風向場址的兩種機型分別布置的排數為：WTG1 機型布置16 排、WTG2 機型布置12排，如圖7 所示。風機排數多，排與排之間的尾流影響相互疊加，尾流影響增大。

圖6 垂直主風向場址風機布置示意圖Fig.6 Wind turbines layout diagram in the site of vertical main wind energy direction

圖7 平行主風向風機布置示意圖Fig.7 Wind turbines layout diagram in the site of parallel main wind energy direction

綜上所述，以風電場容量2 000 MW、130 m 高度風速為7.8 m/s，風切變系數為0.08為前提，分別考慮風電場形狀垂直于主風向和平行于主風向、風向集中和分散，在以每100 MW裝機容量占用海域面積分別為16 km2、15 km2、14 km2條件下，對WTG1和WTG2機型進行尾流測算。結合目前國內海上風電場經驗取值，風電場平均尾流按15%控制，最大尾流按20%控制。

3 風電場尾流分析

3.1 垂直主風向-風能方向集中

表1 為在風電場形狀垂直主風向且風能方向集中條件下風機尾流測算的結果。WTG1 機型在以每100 MW 裝機容量占用海域面積分別為16 km2、15 km2、14 km2條件下，風電場平均尾流分別為4.66%、4.84%、4.89%，最大尾流分別為4.98%、5.11%、5.21%。WTG2機型在以每100 MW 裝機容量占用海域面積分別為16 km2、15 km2、14 km2條件下，風電場平均尾流分別為4.22%、4.32%、4.42%，最大尾流分別為4.76%、4.96%、5.14%。

表1 垂直主風向風能方向集中時風機尾流測算結果Table 1 Calculation results of wind turbines wake flow when the site is vertical of the main wind energy direction and the main wind energy direction is concentrated

由上述結果可知，隨著風機單機容量的增加，每排風機的數量減小，風機之間的行間距增大，風電場的平均尾流和最大尾流均減小；在以每100 MW裝機容量占用海域面積分別為16 km2、15 km2、14 km2時，WTG2 比WTG1 的風電場平均尾流分別減小0.44%、0.52%、0.47%，最大尾流分別減小0.22%、0.15%、0.07%；隨著每100 MW 裝機容量用海面積的減小，每100 MW 裝機容量占用海域面積分別為15 km2、14 km2時，WTG1 機型的平均尾流比100 MW 裝機容量占用海域面積為16 km2時分別增大0.18%、0.23%，最大尾流分別增大0.13%、0.23%；WTG2機型在每100 MW 裝機容量占用海域面積分別為15 km2、14 km2時的平均尾流比每100 MW 裝機容量占用海域面積為16 km2時分別增大0.10%、0.20%，最大尾流分別增大0.20%、0.38%；風電場垂直于主風向，且風能風向集中，風機的排數少，平均尾流和最大尾流均較小，遠小于15%的平均尾流和20%的最大尾流。

3.2 垂直主風向-風能方向分散

表2 為在風電場形狀垂直主風向且風能方向分散條件下風機尾流測算的結果，機型參數與表1 相同。WTG1 機型在每100 MW 裝機容量占用海域面積分別為16 km2、15 km2、14 km2條件下，風電場平均尾流分別為7.90%、8.14%、8.17%，最大尾流分別為8.42%、8.67%、8.70%。WTG2機型在每100 MW 裝機容量占用海域面積分別為16 km2、15 km2、14 km2條件下，風電場平均尾流分別為6.64%、6.75%、6.89%，最大尾流分別為7.24%、7.32%、7.48%。

表2 垂直主風向風能方向分散時風機尾流測算結果Table 2 Calculation results of wind turbines wake flow when the site is vertical of the main wind energy direction and the main wind energy direction is scattered

由上述結果可知，隨著風機單機容量的增加，每排風機的數量減小，風機之間的行間距增大，風電場的平均尾流和最大尾流均減小；風機機型由WTG1變為WTG2，在每100 MW 裝機容量占用海域面積分別為16 km2、15 km2、14 km2條件下，風電場的平均尾流分別減小1.26%、1.39%、1.28%，最大尾流分別減小1.18%、1.35%、1.22%；隨著每100 MW 裝機容量用海面積的減小，WTG1 機型在每100 MW 裝機容量占用海域面積為15 km2、14 km2時的平均尾流比在每100 MW 裝機容量占用海域面積為16 km2時分別增大0.24%、0.27%，最大尾流分別增大0.25%、0.28%；隨著每100 MW裝機容量的用海面積的減小，每100 MW裝機容量的用海面積分別為15 km2、14 km2時，WTG2機型的平均尾流比每100 MW 裝機容量的用海面積16 km2時分別增大0.11%、0.25%，最大尾流分別增大0.08%、0.24%；風電場垂直于主風向，雖然風能風向分散，但是由于風機的排數少，平均尾流和最大尾流均較小，均小于15%的平均尾流和20%的最大尾流。

3.3 平行主風向-風能方向集中

表3 平行主風向風能方向集中時風機尾流測算結果Table 3 Calculation results of wind turbines wake flow when the site is parallel of the main wind energy direction and the main wind energy direction is concentrated

由上述結果可知，隨著風機單機容量的增加，每排風機的數量減小，風機之間的行間距增大，風電場的平均尾流和最大尾流均減小；風機由WTG1 到WTG2，在每100 MW 裝機容量占用海域面積分別為16 km2、15 km2、14 km2時，風電場的平均尾流分別減小0.16%、0.45%、0.51%，最大尾流分別減小0.14%、0.18%、0.02%；隨著每100 MW 裝機容量用海面積的減小，WTG1 機型在每100 MW 裝機容量的用海面積分別為15 km2、14 km2時的平均尾流比每100 MW 裝機容量的用海面積16 km2時分別增大0.86%、1.87%，最大尾流分別增大0.73%、1.93%；隨著每100 MW 裝機容量的用海面積的減小，WTG2機型的在每100 MW裝機容量的用海面積分別為15 km2、14 km2時的平均尾流比每100 MW 裝機容量的用海面積16 km2時分別增大0.57%、1.52%，最大尾流分別增大0.69%、2.05%；風電場平行于主風向，且風能風向集中，但是由于風機的排數多，單機尾流和整場尾流均較大，但各種情況的尾流測算結果均小于15%的平均尾流和20%的最大尾流。

3.4 平行主風向-風能方向分散

表4 為在風電場形狀垂直主風向且風能方向分散條件下風機尾流測算的結果，機型參數與表1 相同。WTG1 機型在每100 MW 裝機容量的用海面積分別為16 km2、15 km2、14 km2條件下，風電場平均尾流分別為14.46%、15.28%、16.17%，最大尾流分別為17.77%、18.70%、19.85%。WTG2 機型在每100 MW裝機容量的用海面積分別為16 km2、15 km2、14 km2條件下，風電場平均尾流分別為14.08%、14.37%、15.41%，最大尾流分別為17.28%、17.60%、19.15%。

表4 平行主風向風能方向分散時風機尾流測算結果Table 4 Calculation results of wind turbines wake flow when the site is parallel of the main wind energy direction and the main wind energy direction is scattered

由上述結果可知，隨著風機單機容量的增加，每排風機的數量減小，風機之間的行間距增大，風電場的平均尾流和最大尾流均減小；風機由WTG1到WTG2，在每100 MW 裝機容量的用海面積分別為16 km2、15 km2、14 km2時，風電場的平均尾流分別減小0.38%、0.91%、0.76%，最大尾流分別減小0.49%、1.10%、0.70%；隨著每100 MW 裝機容量的用海面積的減小，WTG1 機型在每100 MW 裝機容量的用海面積分別為15 km2、14 km2時的平均尾流比每100 MW 裝機容量的用海面積16 km2時分別增大0.82%、1.71%，最大尾流分別增大0.93%、2.08%；隨著每100 MW 裝機容量的用海面積的減小，WTG2機型的在每100 MW 裝機容量的用海面積分別為15 km2、14 km2時的平均尾流比每100 MW 裝機容量的用海面積16 km2時分別增大0.29%、1.33%，最大尾流分別增大0.32%、1.87%；風電場平行于主風向，風機的排數多，且風能風向分散，單機尾流和整場尾流均較大，在每100 MW 裝機容量的用海面積分別為15 km2、14 km2時，WTG1 機型平均尾流均大于15%的控制值，在每100 MW 裝機容量的用海面積為14 km2時，WTG2 機型平均尾流大于15%的控制值。

3.5 尾流結果分析

1）不論風電場形狀是否垂直主風向，風能方向是否集中，每100 MW 裝機容量的用海面積為16 km2都可以滿足風電場平均尾流小于15%和最大尾流小于20%的要求。

2）隨著風機單機容量的增加，風機平均尾流和最大尾流均明顯減小，說明風機數量的減少使得風電場尾流明顯降低。

3）風電場形狀垂直主風向時，風能方向集中或分散，風機平均尾流和最大尾流均較小，均小于15%的平均尾流和20%的最大尾流，且隨著每100 MW裝機容量用海面積的減小，尾流變化較小，說明場址形狀垂直主風向時，可以較大程度地降低每100 MW裝機容量的用海面積；風能方向分散比風能方向集中時，WTG1機型和WTG2機型的平均尾流和最大尾流均明顯增大，說明風能方向對尾流的影響顯著。

4）風電場形狀平行主風向時，風能方向集中或分散，風機平均尾流和最大尾流均較大，且隨著每100 MW 裝機容量的用海面積的減小，尾流明顯增加，在風能風向集中時，每100 MW 裝機容量的用海面積為14 km2時，WTG1機型和WTG2機型均可以滿足風電場小于15%的平均尾流和20%的最大尾流，在風能風向分散時，每100 MW裝機容量的用海面積為15 km2時，WTG2機型可以滿足風電場平均尾流小于15%和最大尾流小于20%的要求，說明場址形狀平行主風向時，風能方向集中時，可以較大程度降低每100 MW 裝機容量的用海面積，風能方向分散時，采用大單機容量機組時，考慮適當降低每100 MW裝機容量的用海面積。

5）風能方向集中時，風電場形狀平行主風向比垂直主風向時，WTG1機型和WTG2機型平均尾流均增加約9%，最大尾流均增加約12%，尾流增加顯著，說明風能方向集中時，場址形狀對尾流影響明顯。

6）風能方向分散時，風電場形狀平行主風向比垂直主風向時，WTG1機型和WTG2機型平均尾流均增加約8%，最大尾流均增加約10%，說明風能方向分散時，場址形狀對尾流影響明顯，但是風能方向集中時場址形狀對尾流的影響更為明顯。

4 結束語

以風電場容量2 000 MW、130 m 高度風速為7.8 m/s，風切變系數為0.08 為前提，分別考慮風電場形狀垂直于主風向和平行于主風向、風向集中和分散，研究在每100 MW 裝機容量的用海面積分別為16 km2、15 km2、14 km2條件下，分析計算WTG1 和WTG2 機型的尾流，結果表明：每100 MW 裝機容量的用海面積為16 km2可以滿足風電機組運行需要。在未來使用大容量機組的條件下，可以適當降低每100 MW 裝機容量的用海面積。由于考慮的場址形狀規則，在進行風機布置時為均勻布置，未采用自動優化排布軟件進行優化布置。同時為簡化對比，采用單一風速，事實上風速的不同也會對尾流產生較大的影響，有待進一步分析研究。