陽高長城風(fēng)電場微觀選址設(shè)計

趙彥賢 周 磊 李 鵬

陽高長城風(fēng)電場微觀選址設(shè)計

趙彥賢 周 磊 李 鵬

風(fēng)電場微觀選址目的是確定風(fēng)機(jī)機(jī)組的具體安裝位置，使整個風(fēng)電場具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和更高的安全性，也是風(fēng)電場后續(xù)設(shè)計工作的主要依據(jù)。根據(jù)陽高長城風(fēng)電場的設(shè)計經(jīng)驗，闡述了山地風(fēng)電場微觀選址工作的過程和要點(diǎn)。

氣象站 測風(fēng)塔 發(fā)電量 湍流 極大風(fēng)速

陽高縣地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)影響，四季鮮明，春季氣溫回升很快，夏季氣候溫和，秋季氣溫逐漸下降，冬季較春夏秋三季顯得漫長。陽高長城風(fēng)電場工程位于山西省大同市陽高縣西南部，緊鄰大同市新榮區(qū)，場址區(qū)規(guī)劃面積15.86 km2，海拔高程為1 450～2 115 m，規(guī)劃容量38 MW，擬安裝25臺單機(jī)容量為1500 kW的風(fēng)電機(jī)組。場區(qū)屬典型的山地地貌類型，山頂植被稀少；溝坡地帶多有林地，植被較為茂密，地形相對高差一般在100～200 m，最大高差近400 m，多變的地形條件給風(fēng)機(jī)的微觀選址工作增添了很大難度。

1 風(fēng)電場建設(shè)流程

風(fēng)電場的建設(shè)流程為：風(fēng)能資源測量與評估、風(fēng)電場設(shè)計、風(fēng)電場施工、風(fēng)電場運(yùn)行及維護(hù)。在風(fēng)電場設(shè)計中，風(fēng)電場的選址工作是其中的重點(diǎn)和主導(dǎo)步驟，選址工作又分為宏觀選址和微觀選址兩部分。

風(fēng)電場宏觀選址是通過對一個較大的區(qū)域的風(fēng)能資源、并網(wǎng)條件、交通運(yùn)輸、地質(zhì)條件、地形地貌、環(huán)境影響和社會經(jīng)濟(jì)等方面考察后，選擇出風(fēng)能資源豐富、最有利用價值的小區(qū)域的過程；風(fēng)電場微觀選址是對宏觀選址工作的精細(xì)化和具體化，確定風(fēng)機(jī)機(jī)組的具體安裝位置，使整個風(fēng)電場具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和更高的安全性，這也是風(fēng)電場后續(xù)設(shè)計工作的主要依據(jù)，如風(fēng)電場場內(nèi)道路、集電線路、升壓站等土建工程的設(shè)計工作都圍繞著微觀選址成果來進(jìn)行。

2 微觀選址設(shè)計過程

按照 《風(fēng)電場施工圖設(shè)計階段勘測內(nèi)容深度與技術(shù)要求》，首先根據(jù)風(fēng)電場實測氣象數(shù)據(jù)、風(fēng)電場地形資料、野外調(diào)查得出的場地粗糙度狀況等進(jìn)行內(nèi)業(yè)風(fēng)機(jī)定位，計算發(fā)電量、滿發(fā)小時數(shù)等；然后根據(jù)風(fēng)機(jī)內(nèi)業(yè)微觀選址的坐標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，熟悉風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)地形地貌，詳細(xì)調(diào)查和記錄風(fēng)電場區(qū)域植被高低和疏密程度、房屋范圍及高度等；最后綜合考慮道路、施工平臺、障礙物的影響等因素，根據(jù)現(xiàn)場微觀選址和高比例尺地形圖最終確定風(fēng)機(jī)坐標(biāo)，并進(jìn)行資料整理、統(tǒng)計、分析和計算，提出本項目風(fēng)資源評價和微觀選址報告。

在該風(fēng)電場微觀選址中應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)：

（1）在充分利用風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)能資源，即盡量在風(fēng)資源好的地方布置風(fēng)機(jī)的前提下，盡量集中布置風(fēng)機(jī)群，以盡量減少風(fēng)電場內(nèi)道路和集電線路投資。

（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組盡量集中布置，可以減少風(fēng)電場的占地面積，充分利用土地，在同樣面積的土地上安裝更多的機(jī)組；可以減少電纜和場內(nèi)道路長度，降低工程造價，減低場內(nèi)線損。

（3）盡量減小風(fēng)電機(jī)組之間尾流影響。一般情況下。垂直于盛行風(fēng)向為行，平行于盛行風(fēng)向為列。為減小機(jī)組之間尾流的影響，行間距5D～9D（D為機(jī)組的風(fēng)輪直徑），列間距3D～5D。

（4）避開障礙物的尾流影響區(qū)。

（5）滿足風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)輸條件和安裝條件。

2.1 氣象站資料分析

2.1.1 參證氣象站概況

陽高縣氣象站位于山西省東北部，位于縣城東北部，北緯40°22′，東經(jīng)113°46′，拔海高度1 050.3 m。風(fēng)速儀器距地高度10.2 m。

2.1.2 平均風(fēng)速年際變化

根據(jù)陽高氣象站1981—2013年33年平均風(fēng)速資料統(tǒng)計：多年平均風(fēng)速為2.03 m/s，年平均風(fēng)速最大為2.53 m/s，年平均風(fēng)速最小為1.69 m/s。具有比較明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)。

2.2 測風(fēng)塔資料分析

2.2.1 測風(fēng)塔概況

本期風(fēng)電場收集到了2個現(xiàn)場70 m高度2534#、2505#測風(fēng)塔的測風(fēng)資料。兩測風(fēng)塔所在地理位置海拔分別為1 822 m和2 093 m，在塔高70、50、30、10 m處安裝風(fēng)速傳感器，70 m和10 m高度安裝風(fēng)向傳感器。

2.2.2 測風(fēng)數(shù)據(jù)整理

本次微觀選址利用風(fēng)場內(nèi)的2534#、2505#測風(fēng)塔2012年1月1日～2012年12月31日一年的測風(fēng)資料進(jìn)行分析，暫稱為測風(fēng)年系列。

為了有效評估風(fēng)電場的風(fēng)能資源，對原始的測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，檢查其完整性和合理性，檢驗出不合理的數(shù)據(jù)和缺測數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行處理。經(jīng)過適當(dāng)處理,整理出一套連續(xù)一年完整的風(fēng)場逐小時測風(fēng)數(shù)據(jù)。

2.2.3 實測年風(fēng)能要素計算

2.2.3.1 湍流強(qiáng)度計算

湍流是指風(fēng)速、風(fēng)向及其垂直分量的迅速擾動或不規(guī)律性，是重要的風(fēng)況特征，計算公式為

式中 IT——湍流強(qiáng)度；

σ——某時段風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差，m/s；

v——某時段平均風(fēng)速，m/s。

根據(jù)2534#、2505#測風(fēng)塔實測數(shù)據(jù)，可以計算得到70 m高度特征湍流強(qiáng)度為0.132、0.148。

2.2.3.2 50年一遇最大風(fēng)速計算

根據(jù)陽高氣象站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)速的年最大值采用極值I型的概率分布，其分布函數(shù)為：

式中 μ——分布的位置參數(shù)；

α——分布的尺度參數(shù)。

分布的尺度參數(shù)α、均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ的關(guān)系按下式確定：

Vi為連續(xù)n個最大風(fēng)速樣本序列 （n≥15），系數(shù)C1和C2可以查表得出。

陽高氣象站50年一遇最大風(fēng)速按下式計算：

依據(jù)已有數(shù)據(jù)和上述公式，計算得出陽高氣象站50年一遇10 min最大風(fēng)速為19.4 m/s。

通過陽高長城風(fēng)電場范圍內(nèi)的相關(guān)歷史氣象資料的調(diào)查分析，并對陽高氣象站和2534#、2505#測風(fēng)塔同期的逐日風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性分析后，算出70 m高度50年一遇最大風(fēng)速為30.7 m/s。

2.2.3.3 IEC等級

根據(jù)湍流強(qiáng)度和50年一遇最大風(fēng)速的計算結(jié)果，本階段判定本風(fēng)電場屬于IECⅢ類風(fēng)區(qū)，可安裝IECⅢB類及以上等級的風(fēng)電機(jī)組。

2.2.4 風(fēng)電場風(fēng)能資源綜合評價

通過對風(fēng)電場1年測風(fēng)數(shù)據(jù)的分析處理，采用參考?xì)庀笳鹃L系列資料評價2534#、2505#測風(fēng)塔實測年風(fēng)資源數(shù)據(jù)的代表性，并推算代表年各風(fēng)能要素。場區(qū)風(fēng)能資源綜合評價結(jié)論如下：

（1）風(fēng)電場實測年2534#、2505#測風(fēng)塔70 m高年平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度分別為6.86、7.12 m/s 和307、295 W/m2。風(fēng)功率密度等級為2級，屬于風(fēng)能資源較為豐富區(qū)，具有開發(fā)價值。

（2）風(fēng)電場全年盛行風(fēng)向W、WNW、NW，主要出現(xiàn)在冬季和春季。場區(qū)全年風(fēng)能密度較大分布方向總體上為W、WNW、NW。場區(qū)測風(fēng)塔70 m處空氣密度為1.02 kg/m3。

（3）風(fēng)電場2534#、2505#測風(fēng)塔70 m高度年有效風(fēng)速3～25 m/s，小時數(shù)分別為7 622 h和7 976 h，占總時數(shù)的86.8%和90.8%；有效風(fēng)速4～25 m/s小時數(shù)分別為 6 849 h和 7 268 h，占總時數(shù)的78.0%和82.7%；有效風(fēng)速5～25 m/s小時數(shù)分別為5 873 h和6 417 h，占總時數(shù)的66.9%和73.1%，以上數(shù)據(jù)表明本風(fēng)電場有效風(fēng)時數(shù)較高。

2.3 機(jī)組選型及布置

2.3.1 機(jī)組選型

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組安全等級分類，風(fēng)電場預(yù)裝風(fēng)電機(jī)組輪轂高度處的湍流強(qiáng)度和50年一遇最大風(fēng)速均能滿足IECⅢB類風(fēng)電機(jī)組要求，該風(fēng)況適用于中低速風(fēng)電機(jī)組，其功率曲線特點(diǎn)為啟動和達(dá)到額定功率的風(fēng)速相對較低，與相同單機(jī)容量的風(fēng)電機(jī)組比較，葉片較長。

根據(jù)風(fēng)電場的具體情況和計算分析結(jié)果，陽高長城風(fēng)電場微觀選址確定采用機(jī)型為金風(fēng)87/1 500機(jī)型，單機(jī)容量為1 500 kW，輪轂高度為75 m。

2.3.2 機(jī)組布置

陽高長城風(fēng)電場選用28臺金風(fēng)87/1 500 kW,其中T8、T9、T17、T26四臺作為備選風(fēng)機(jī)，其余24臺為正選機(jī)位。本項目利用WT軟件進(jìn)行風(fēng)電場的資源計算及風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化布置。WT軟件目前在風(fēng)電場微觀選址中應(yīng)用十分廣泛，使用計算流體力學(xué)方法 （CFD），是一款針對復(fù)雜地形的風(fēng)力資源評估軟件，對于本項目的復(fù)雜地形較為合適。 WT軟件根據(jù)地形圖、風(fēng)電場實測數(shù)據(jù)、以及選用的風(fēng)機(jī)型號，可計算出風(fēng)電場內(nèi)任一點(diǎn)的發(fā)電量及安全參數(shù)，是風(fēng)機(jī)選址的主要參考依據(jù)。參照WT軟件計算結(jié)果，經(jīng)過綜合分析，得出風(fēng)機(jī)布置最優(yōu)方案，見表1和圖1。

2.3.3 其他折減

表1 陽高長城風(fēng)機(jī)發(fā)電量及安全性參數(shù)表

為了更準(zhǔn)確地對比各機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，計算本風(fēng)電場上網(wǎng)發(fā)電量，需對影響風(fēng)電場運(yùn)行的各種因素進(jìn)行發(fā)電量折減估算，對各種影響因素如湍流折減系數(shù)、風(fēng)功率曲線、葉片污染修正系數(shù)、能量損耗折減系數(shù)等進(jìn)行分析，得到風(fēng)電場綜合折減系數(shù)為77.5%。

2.3.4 上網(wǎng)電量

陽高長城風(fēng)電場24臺機(jī)組年發(fā)電量為11 070.5 萬kW·h。綜合考慮以上折減因素，綜合折減系數(shù)為77.5%，用WT軟件計算結(jié)果為8 579.6萬kW·h，等效滿負(fù)荷小時數(shù)2 383 h，容量系數(shù)0.272。

2.3.5 微觀選址設(shè)計分析

2.3.5.1 平均風(fēng)速

風(fēng)電場考慮尾流效益后標(biāo)況下全場平均風(fēng)速為6.0 m/s，單臺平均風(fēng)速最大為7.35 m/s，最小為5.07 m/s，分別為T11和T2。

2.3.5.2 50年一遇最大風(fēng)速

單臺風(fēng)機(jī)在標(biāo)況下50年一遇風(fēng)速均不超過37.5 m/s。

2.3.5.3 湍流強(qiáng)度

總體湍流值較小，均在0.16以下。

2.3.5.4 尾流損失

風(fēng)電場尾流總體損失較小，平均為4.59%。由于該風(fēng)電場范圍有限，機(jī)位排布較為緊湊，個別風(fēng)機(jī)尾流較大，T16、T21為10.2%、9.3%。

2.3.5.5 入流角

因為該地區(qū)山勢陡峭，個別入流角較大，T3、T10超過8°，分別為9°、9.4°。

圖1 陽高長城風(fēng)電場75 m高度發(fā)電量分布圖（WT軟件計算）

綜上所述：建議入流角較大的風(fēng)機(jī)，平均風(fēng)速大于7.2 m/s的風(fēng)機(jī)進(jìn)行荷載分析。

3 結(jié)語

微觀選址工作在風(fēng)電場設(shè)計中具有重要意義，是決定風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)效益的主要因素，也是道路、集電線路等施工圖設(shè)計的重要依據(jù)，特別是如陽高長城風(fēng)電場這樣的山地風(fēng)電場，微觀選址工作對風(fēng)電場建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、安全性是有決定意義的。所以，在風(fēng)電場設(shè)計過程中，應(yīng)對微觀選址工作充分重視。

趙彥賢 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

周 磊 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

李 鵬 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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1007-6980（2016）02-0024-04

（2016-03-24）