峽谷風(fēng)電場工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

任臘春，李良縣

（中國水電顧問集團(tuán) 成都勘測設(shè)計(jì)研究院，成都 610072）

近年來我國風(fēng)電得到迅猛發(fā)展，2012年底風(fēng)電裝機(jī)容量為75 324.2MW，位列世界第一［1］。隨著風(fēng)電設(shè)備制造、勘測設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，我國風(fēng)電發(fā)展路徑由集中開發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榧虚_發(fā)與分散開發(fā)相結(jié)合，風(fēng)電開發(fā)區(qū)域也由風(fēng)能資源好、地形地貌簡單的“三北”地區(qū)轉(zhuǎn)向低風(fēng)速、高海拔、地形復(fù)雜的山區(qū)［2］，河流峽谷風(fēng)電場又是山區(qū)風(fēng)電場的一個(gè)特例。

本文以成都勘測設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的已建成投產(chǎn)的四川省乃至國內(nèi)唯一一座峽谷風(fēng)電場——德昌安寧河峽谷風(fēng)電場為例，對峽谷風(fēng)電場的風(fēng)能資源評(píng)估和微觀選址等設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，希望能為同類風(fēng)電場設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 工程簡介

四川省德昌安寧河峽谷風(fēng)電場示范工程是四川省第一個(gè)建成發(fā)電的峽谷風(fēng)電場項(xiàng)目，場址區(qū)域?qū)俑咴庸鹊貛?，地形北高南低，南北長14km，東西寬3km，海拔高度在1 380～1 560m；場址東西兩側(cè)分別為螺髻山與耗牛山，海拔均超過3 000m，中間是安寧河，形成狹管，使得區(qū)域內(nèi)風(fēng)速狹管效應(yīng)明顯，大風(fēng)頻繁，風(fēng)能資源相對較豐富；場區(qū)內(nèi)還存在西攀高速公路、國道G108、成昆鐵路、高壓輸電通道及分散民房等。

風(fēng)電場的勘測設(shè)計(jì)工作主要包括場址地質(zhì)勘查、風(fēng)能資源評(píng)估、微觀選址、電氣設(shè)計(jì)、土建設(shè)計(jì)、工程概算、財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)等。由于該峽谷風(fēng)電場的風(fēng)能資源受地形地貌影響大，不均勻性十分明顯，并且所在地區(qū)人類活動(dòng)頻繁，存在較多制約風(fēng)電機(jī)組布置的因素，選擇經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相對較優(yōu)的風(fēng)電機(jī)組以及布置位置就顯得尤為重要。因此，本文重點(diǎn)對峽谷風(fēng)電場的風(fēng)能資源評(píng)估、微觀選址等進(jìn)行分析。

2 風(fēng)能資源評(píng)估

風(fēng)電場所在區(qū)域?qū)儆谝詠啛釒Ц咴撅L(fēng)為基帶的立體氣候，加上東西兩側(cè)高山形成的狹管效應(yīng)明顯，風(fēng)能資源具有開發(fā)價(jià)值。風(fēng)電場主風(fēng)向與河流走向基本一致，但局部受地形、地面附著物、兩側(cè)高山和氣候等影響，場址區(qū)域內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向可能差異較大。因此，準(zhǔn)確掌握區(qū)域內(nèi)風(fēng)能資源分布情況，對風(fēng)電場工程設(shè)計(jì)起著決定性作用［4］。

2.1 設(shè)置測風(fēng)斷面

風(fēng)電場場址區(qū)域南北長為14km，東西最寬處為3km，最窄處僅為1km，且東西海拔高度差最大處為200m；部分區(qū)域有伸向河中心的高臺(tái)地。針對這一特殊地形地貌，考慮在場址區(qū)域內(nèi)設(shè)置3個(gè)東西向斷面，每個(gè)斷面間隔約4km。考慮與兩側(cè)高山、河谷中心線的關(guān)系，以及東西向的寬度、高度等因素，在上中斷面各設(shè)立1座70m和1座30m測風(fēng)塔；下斷面設(shè)立1座70m、2座30m測風(fēng)塔，各測風(fēng)塔不同高度處設(shè)置風(fēng)速風(fēng)向儀器。目前已收集到這7座測風(fēng)塔2008年8月至2011年7月的測風(fēng)塔數(shù)據(jù)。各測風(fēng)塔位置及3年測風(fēng)情況見表1。

表1 各測風(fēng)塔位置及3年測風(fēng)情況

經(jīng)過對各測風(fēng)塔3年的風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行分析，各測風(fēng)塔各自不同高度測風(fēng)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.813以上；由于地形等影響，風(fēng)切變指數(shù)值較大，均在0.12以上，且隨著高度增加而減小，這是因?yàn)殡S高度增加風(fēng)速受地面附著物及地形的影響逐漸減小，說明離地面一定高度后風(fēng)速更能反映區(qū)域資源的實(shí)際情況；各測風(fēng)塔之間的相關(guān)性均較差，風(fēng)切變系數(shù)相差也較大；測風(fēng)塔同高度風(fēng)速差異明顯，河谷較窄處的風(fēng)速相對較好，區(qū)域靠近兩側(cè)高山處風(fēng)速較小，風(fēng)向穩(wěn)定性相對較差，靠近河谷中心線處風(fēng)速較大。這說明受地形、地貌、地面附著物等多種因素影響，同一場址區(qū)域即使很近的地方風(fēng)能資源分布可能存在較大差異。鑒于此，有必要對風(fēng)電場區(qū)域進(jìn)行分片區(qū)風(fēng)能資源評(píng)估。

2.2 分片區(qū)進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估

為了更準(zhǔn)確地反映風(fēng)能資源分布情況，為后續(xù)風(fēng)電機(jī)組布置提供依據(jù)，在進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估時(shí)做了多種方案：利用區(qū)域內(nèi)各塔測風(fēng)數(shù)據(jù)分別對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估；相鄰的（包括橫向和縱向）2個(gè)測風(fēng)塔同時(shí)計(jì)算分析所控制片區(qū)風(fēng)能資源分布；區(qū)域內(nèi)各塔分別對所控制的片區(qū)進(jìn)行風(fēng)能資源分析評(píng)估。

經(jīng)過分析對比發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)片區(qū)采用不同的測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)來評(píng)估所得到的風(fēng)能資源分布都不一樣，但在多次計(jì)算分析中發(fā)現(xiàn)，各片區(qū)風(fēng)能資源的相對關(guān)系基本一致，能一定程度上反映各片區(qū)風(fēng)能資源的分布情況。因此，在最后分析評(píng)估時(shí)采取各測風(fēng)塔分別計(jì)算所在片區(qū)的風(fēng)能資源的方法。

本示范工程采用其中的兩個(gè)片區(qū)進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估，各機(jī)位處風(fēng)能資源特征參數(shù)見表2，表2中輪轂高度為70m。

表2 各機(jī)位處風(fēng)能資源特征參數(shù)

根據(jù)測風(fēng)塔的測風(fēng)數(shù)據(jù)計(jì)算分析及資源評(píng)估結(jié)果可知，風(fēng)電場的主風(fēng)向和主風(fēng)能方向基本一致，以南南西（SSW）風(fēng)和北北東（NNE）風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)能最大和頻次最高，其中南南西（SSW）風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)能占比分別為24.55%、25.72%，北北東（NNE）風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)能占比分別為22.76%、24.56%，并且主風(fēng)向穩(wěn)定，基本與河流方向一致。年內(nèi)大風(fēng)月集中在1～5月，小風(fēng)月集中在7～9月；每天12：00～13：00風(fēng)速開始加大，在16：00風(fēng)速達(dá)到最大，然后逐漸減小，至凌晨最小。區(qū)域內(nèi)河谷狹窄處、靠近河谷中心線處風(fēng)能資源好，反之則風(fēng)能資源一般或較差。

3 微觀選址

風(fēng)電場微觀選址是整個(gè)風(fēng)電場建設(shè)、運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，也是風(fēng)電場取得良好經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵［4］。微觀選址是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及風(fēng)能資源、地質(zhì)、機(jī)組布置、設(shè)備運(yùn)輸及安裝等［5］。而機(jī)組選型、機(jī)組優(yōu)化布置、發(fā)電量估算等又是微觀選址工作的中心內(nèi)容及評(píng)判依據(jù)。

3.1 機(jī)組選型

對于風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估結(jié)果（包括極端風(fēng)速、參考風(fēng)速、年平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度等），根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全要求》（GB 18451.1—2005）可判斷該風(fēng)電場適合選用IECⅢ類風(fēng)電機(jī)組。目前，風(fēng)電機(jī)組主要有雙饋式風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組，后者較前者具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)較先進(jìn)、可靠性高、噪聲小、運(yùn)行維護(hù)成本低、容易實(shí)現(xiàn)低電壓穿越和低風(fēng)速發(fā)電效率相對較高等優(yōu)點(diǎn)［6］。因此，風(fēng)電場在參選機(jī)型時(shí)考慮了上述兩種。各參選機(jī)型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果見表3。

表3 各參選機(jī)型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果

由表3可見，綜合考慮了主流風(fēng)電機(jī)組特性，結(jié)合風(fēng)電場的風(fēng)況特征、安全等級(jí)要求，現(xiàn)場交通運(yùn)輸條件、地質(zhì)條件、施工安裝條件等因素，對多種機(jī)型進(jìn)行比較。對參選機(jī)型進(jìn)行技術(shù)比較時(shí)，著重關(guān)注機(jī)型的型式認(rèn)證、功率曲線認(rèn)證、電壓控制、有功無功控制、頻率和諧波等特性，在經(jīng)濟(jì)比較時(shí)主要考慮設(shè)備及安裝工程、建筑工程等方面。

經(jīng)分析計(jì)算，風(fēng)電場最終選擇了低風(fēng)速直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組（WTG5）。

3.2 機(jī)組優(yōu)化布置

風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組的布置主要是根據(jù)場址風(fēng)能資源分布情況和場址建設(shè)條件確定。由于該風(fēng)電場機(jī)組布置受限制因素較多（有較多少數(shù)民族居民房屋、高速公路、鐵路、高壓輸電線路等），即使在地質(zhì)條件較好的情況下也難以直接采用專業(yè)的軟件進(jìn)行布置方案的確定。

因此，在布置機(jī)組時(shí)優(yōu)先考慮風(fēng)能資源好的位置，然后根據(jù)以下限制條件對機(jī)組位置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化。

1）風(fēng)電場各機(jī)組間尾流及規(guī)劃的后續(xù)風(fēng)電場機(jī)組與本風(fēng)電場的機(jī)組間的尾流損失按10%控制。

2）考慮機(jī)組運(yùn)行噪聲可能對居民生產(chǎn)生活的影響，經(jīng)計(jì)算，機(jī)組位置離居民房屋應(yīng)超過160m。

3）考慮機(jī)組與鐵路、高速公路、輸電及通信線路的安全距離，按照塔筒高度和葉片長度之和來控制。

4）部分機(jī)組位置由于風(fēng)能資源較好，但是可能位于高臺(tái)地上，則按照機(jī)組與臺(tái)地邊坡穩(wěn)定性均不受影響來控制，經(jīng)計(jì)算機(jī)組位置與邊坡的距離為70m。

5）由于靠近兩側(cè)高山處風(fēng)向穩(wěn)定性較差，為減少紊流對機(jī)組運(yùn)行可靠性產(chǎn)生影響，布置機(jī)組時(shí)設(shè)定了機(jī)組位置與高山的凈距離限制，設(shè)計(jì)時(shí)采用400m。

此外，為了充分利用區(qū)域風(fēng)能資源，相對弱化各風(fēng)電機(jī)組的間距要求，部分機(jī)組位置間的直線距離按照機(jī)組與鐵路等的安全距離考慮。

3.3 發(fā)電量估算

3.3.1 微觀選址流程

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果的各機(jī)組位置坐標(biāo)，利用GPS到現(xiàn)場踏勘定點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場的地形地貌、地質(zhì)和施工安裝條件對機(jī)組位置進(jìn)行微調(diào)，并利用GPS測得新坐標(biāo)，然后再將現(xiàn)場的定點(diǎn)坐標(biāo)作為新的機(jī)位坐標(biāo)進(jìn)行后續(xù)發(fā)電量、湍流強(qiáng)度、極端風(fēng)速、入流角等參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，然后重復(fù)上述過程直至滿足要求。

3.3.2 最終方案發(fā)電量估算

根據(jù)微觀選址的機(jī)位坐標(biāo)，并結(jié)合選型確定的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)、風(fēng)能資源評(píng)估結(jié)果，采用黏性渦漩尾流模型對風(fēng)電場每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量及尾流損失進(jìn)行精確計(jì)算。考慮風(fēng)電場發(fā)電量的各種折減系數(shù)，利用專業(yè)軟件meteodyn WT計(jì)算風(fēng)電場年平均發(fā)電量、年等效利用小時(shí)數(shù)、容量系數(shù)。

本風(fēng)電場各機(jī)組能量指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各機(jī)組能量指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

4 工程設(shè)計(jì)效果

德昌安寧河峽谷風(fēng)電場從并網(wǎng)發(fā)電近兩年，從目前的運(yùn)行情況來看，所采用的風(fēng)電機(jī)組故障率很低、可靠性相對較高，可利用率在98%左右，這說明設(shè)計(jì)所選用的風(fēng)電機(jī)組以及機(jī)組的布置基本合理，有效保證了風(fēng)電機(jī)組安全。

上網(wǎng)電量是衡量風(fēng)電場各方面成功與否的關(guān)鍵內(nèi)容。表5給出了風(fēng)電場投產(chǎn)以來的風(fēng)速和發(fā)電量等參數(shù)。由于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙上測風(fēng)儀所測數(shù)據(jù)不能完全反映實(shí)際風(fēng)速情況，在此僅以發(fā)電量來說明，以2012年為例，實(shí)際上網(wǎng)電量和利用小時(shí)均高出設(shè)計(jì)值約20%?？紤]到運(yùn)行初期風(fēng)電場各項(xiàng)折減系數(shù)基本都優(yōu)于設(shè)計(jì)取值，這里暫考慮在此基礎(chǔ)上再折減15%作為實(shí)際多年平均值，得到的實(shí)際多年發(fā)電量為3 278kWh，高于設(shè)計(jì)實(shí)際發(fā)電量值。因此，從發(fā)電量的角度來看，風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行效果也基本達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié)論

本文以四川省首個(gè)峽谷示范風(fēng)電場為例，分析說明該類風(fēng)電場風(fēng)能資源分布特性，并對峽谷風(fēng)電場的工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)——風(fēng)能資源評(píng)估和微觀選址進(jìn)行探討。風(fēng)電場工程設(shè)計(jì)效果初步達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，說明該峽谷風(fēng)電場設(shè)計(jì)所采取的分析計(jì)算方法基本合理，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對同類風(fēng)電場勘測設(shè)計(jì)具有一定的借鑒參考價(jià)值。

［1］中國風(fēng)能協(xié)會(huì).2012年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)報(bào)告［A］.2013，3.

［2］國家能源局.可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃［A］.2012，8.

［3］曹云，孫華.風(fēng)電場規(guī)劃設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：水利水電出版社，2009.

［4］何一.德昌安寧河谷風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估［J］.水電站設(shè)計(jì)，2011（4）：83－86.

［5］連捷.風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估及微觀選址［J］.電力勘測設(shè)計(jì)，2007（2）：71－73.

［6］田迅等.德昌安寧河峽谷風(fēng)電場機(jī)組選型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［A］.中國風(fēng)電技術(shù)發(fā)展研究報(bào)告［C］，2008.

表5 風(fēng)電場設(shè)計(jì)發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量對比