風電場精細化微觀選址技術(shù)的創(chuàng)新應用

李 斌

(遼寧大唐國際新能源有限公司，遼寧 沈陽 110116)

0 引言

目前，高風速項目資源枯竭、環(huán)保紅線圈畫高海拔山脊、電力消納問題重重、新型風機研發(fā)成本和建造費用提升等外界因素嚴重制約風電項目開發(fā)建設[1]，加之新能源項目開發(fā)進程受行業(yè)政策變化的影響嚴重，從高電價補貼到逐年減低補貼差額，2018年陸續(xù)頒布的風電5·18“競價核準”和光伏5·31“平價上網(wǎng)”將新能源補貼逐步消除，加強微觀選址深度已成為現(xiàn)階段各建設單位提高項目產(chǎn)能的主要手段，不斷優(yōu)化的風電場宏觀選址[2]和微觀選址深度[3-4]對風電場整體產(chǎn)能提升已取得顯著效果。新能源改革已進入新常態(tài)，各種深層次矛盾凸顯，面臨能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整和變革，風電場只有注重數(shù)量的增長到質(zhì)量的提升，實現(xiàn)最優(yōu)精細化布局才能促使新能源項目實現(xiàn)新的突破，微觀選址技術(shù)精細化創(chuàng)新應用在前期規(guī)劃發(fā)展的各項限制因素核實和推進環(huán)節(jié)，實現(xiàn)項目資源開發(fā)方式根本轉(zhuǎn)變，推動項目高質(zhì)量發(fā)展，從批量圈占資源的發(fā)展策略轉(zhuǎn)變?yōu)殚_發(fā)建設精細內(nèi)涵式項目，加強風資源評估精細化微觀選址，以科技創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展成為深化改革的突破口，憑借科學精細的選址技術(shù)將新能源項目做優(yōu)做強，突破外界發(fā)展瓶頸，解決內(nèi)部轉(zhuǎn)型升級難題。

1 實施精細化微觀選址構(gòu)建戰(zhàn)略化開發(fā)方案

1.1 研判實時政策抓住發(fā)展機遇

2018年1月1日之后核準建設的陸上風電項目電價如表1所示，2018年5月18日國家能源局印發(fā) 《國家能源局關于2018年度風電建設管理有關要求的通知》，指出從本通知印發(fā)之日起，尚未印發(fā)2018年風電度建設方案的省(自治區(qū)、直轄市)新增集中式陸上風電項目和未確定投資主體的海上風電項目應全部通過競爭方式配置和確定上網(wǎng)電價。清潔能源中的風電、光伏早已不是傳統(tǒng)意義上的“新能源”，2018年政策上的劃定，風電和光伏項目將隨時間過渡，失去電價補貼，迎來競價核準和平價上網(wǎng)。新能源企業(yè)謀發(fā)展關鍵要從發(fā)展理念創(chuàng)新、技術(shù)應用創(chuàng)新著手，以精細化微觀選址技術(shù)把關，為優(yōu)質(zhì)高效推進項目核準注入新動力、新活力、新源泉，堅持創(chuàng)新發(fā)展，轉(zhuǎn)變發(fā)展理念和發(fā)展方式，時刻堅持質(zhì)量第一、效益優(yōu)先，僅僅抓住電力改革新機遇，積極尋求新的發(fā)展空間。

如表1所示，陸上集中式風電項目電價逐漸降低，補貼額度呈現(xiàn)“倒金字塔”模式，在競價核準的新形勢下，項目資金收益率需重新核算，通過精細化微觀選址技術(shù)精準測算產(chǎn)能收益，詳盡掌握項目發(fā)電能力[5-6]，比對投資造價，測算上網(wǎng)高、低電價對項目1 800～2 500 h利用小時的盈利能力影響，引導競價投標配置。

表1 陸上風電核準電價降幅統(tǒng)計表Table 1 Authorized price reduction for land based wind farms 元/(kW·h)

1.2 制定大電網(wǎng)長遠發(fā)展戰(zhàn)略

精細化微觀選址技術(shù)是前期開發(fā)的資源項目區(qū)域統(tǒng)籌規(guī)劃和儲備優(yōu)質(zhì)資源的創(chuàng)新驅(qū)動。立足長遠，率先謀劃，新能源項目發(fā)展獲得國家的大力扶持，清潔能源占比將隨著電力市場供給側(cè)改革不斷持續(xù)升高，各家新能源開發(fā)巨頭在研判實時激勵政策的同時，更注重全局謀劃和超前布局，牢固樹立先有規(guī)劃戰(zhàn)略、再有接網(wǎng)容量，后有風電場建設的發(fā)展策略。規(guī)劃選址過程中超前謀劃確定風電場接入系統(tǒng)總體建設指導方案，落實項目接網(wǎng)容量。某集團公司區(qū)域電網(wǎng)資源規(guī)劃為，在各區(qū)域資源一期項目建設前，統(tǒng)籌規(guī)劃該地域的整體接網(wǎng)容量，一次性建成具備大容量升壓站，分別在4個風電基地規(guī)劃區(qū)域的預留450、200、170和500 MW的儲備項目接入容量空間。

送出容量的飽和是各省份對風電限制的最大制約因素，根據(jù)各省的最低利用小時保障收購數(shù)，低于該利用小時數(shù)的省份將被劃入接網(wǎng)“紅線”區(qū)，將導致項目無法建設。目前，各省電網(wǎng)框架雖已構(gòu)建，但對于風電項目均未預留足夠的空間，且部分承諾的項目公司自建送出線路段遲遲未經(jīng)行產(chǎn)權(quán)回購，將項目建設成本提升過高，增大投資風險。所以在項目前期開發(fā)環(huán)節(jié)需全局規(guī)劃，統(tǒng)籌設計，具備條件的資源區(qū)域內(nèi)構(gòu)建自身“大電網(wǎng)”格局，確保后續(xù)項目送出的接納能力，避免風電場“發(fā)得出，送不出”的窘境。接網(wǎng)資源容量儲備直接決定該區(qū)域后續(xù)項目能否具備立項條件，應在項目前期規(guī)劃中制定分期分區(qū)的遠期接網(wǎng)戰(zhàn)略發(fā)展方案。

1.3 區(qū)域統(tǒng)籌規(guī)劃儲備優(yōu)質(zhì)資源

在風電場項目開發(fā)規(guī)劃環(huán)節(jié)，精細產(chǎn)能測算，制定開發(fā)策略。首先，收集、整理各項目測風數(shù)據(jù)[7-8]，借助資源評估軟件和中尺度數(shù)據(jù)模擬該區(qū)域資源等級，建立整體資源模型[9]，整體規(guī)劃，統(tǒng)籌標注，將優(yōu)勢資源細化分級，對整體資源區(qū)域的分級區(qū)域細化選址，分類排序，按照資源優(yōu)劣情況逐一分割為具體風電場項目，并在各自區(qū)間范圍內(nèi)進行宏觀選址布置同一款機型，得出各自產(chǎn)能數(shù)據(jù)，將各項目精細化選址，通過微調(diào)測算，對區(qū)域資源數(shù)據(jù)詳盡分析，確定項目容量和開發(fā)次序。其次，鑄造大電網(wǎng)格局，儲備接網(wǎng)容量。統(tǒng)計資源區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)具備的接納容量空間，尤其是具備大規(guī)模接納條件的220、110 kV變電站，結(jié)合項目所在區(qū)的遠期電網(wǎng)規(guī)劃，兼顧項目經(jīng)濟性，以優(yōu)質(zhì)項目為依托，圍繞變電站40 km內(nèi)的優(yōu)質(zhì)風資源項目需列為重點開發(fā)區(qū)域。最后，按照電網(wǎng)接納條件和遠期規(guī)劃將已分區(qū)的風電場排序，相應調(diào)整開發(fā)次序，制定最終區(qū)域項目開發(fā)策略。

圖1 某區(qū)域項目風資源分析圖Fig.1 Wind resource analysis chart for a regional project

圖2 某區(qū)域項目接網(wǎng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of a regional project

圖1—2為某區(qū)域項目資源、規(guī)劃、接網(wǎng)示意圖，通過全面開展各項目微觀選址工作，對區(qū)域資源進行整體評估，摸清項目實際具備的產(chǎn)能效益和發(fā)電能力的同時，注重項目建設的產(chǎn)能收益經(jīng)濟性，制定優(yōu)質(zhì)、有序、穩(wěn)定、滾動的發(fā)展策略和梯次開發(fā)順序，確保優(yōu)質(zhì)項目儲備的有效銜接。精細化微觀選址技術(shù)的應用將嚴格遵循優(yōu)勢項目優(yōu)先開發(fā)的核心理念，結(jié)合各地新能源規(guī)劃方案和接網(wǎng)條件，制定各區(qū)域項目梯次開發(fā)順序,確保優(yōu)質(zhì)項目儲備有效銜接，發(fā)電能力最強的風場最先開發(fā)，回報收益率最高的風電場最先投產(chǎn)。

2 依靠精細化選址提升企業(yè)綜合競爭實力

2.1 新常態(tài)下的清潔能源面臨的機遇與挑戰(zhàn)

“核準指標減少”和“電價補貼倒掛”促使新能源項目開發(fā)陷入投資無收益、緩建需配額的僵局。面對新能源“競價和配額”的嚴峻形勢，精細化微觀選址將日益成為提質(zhì)增效的第一動力，微觀選址是新能源項目建設條件邊界核查的第一關卡，技術(shù)人員前期選址投入的精力、時間、資源掌控程度與項目產(chǎn)能效益構(gòu)成“正比例”，通過擬合分析同類區(qū)域資源競爭優(yōu)劣情況，加強微觀選址避讓“違規(guī)紅線”基礎論證，對機位精細化選址和機型的比選校驗的深入應用，為項目選址提供新的邊界核查途徑，是對各限制區(qū)域紅線的深層把關，將嚴格把控產(chǎn)能效益與經(jīng)濟性效益的平衡關系，做到投標電價知己知彼，有的放矢，提升新能源公司行業(yè)競爭綜合實力。

2.2 精細化微觀選址技術(shù)助力前期項目合法合規(guī)推進

早期項目開發(fā)由于對各區(qū)域風資源情況不掌握，在開發(fā)區(qū)域的選擇和區(qū)域優(yōu)質(zhì)資源搶占的環(huán)節(jié)問題較多，使得項目投產(chǎn)后的各種驗收困難重重。造成的主要問題有：1)項目資源搶占陷入被動局面；2)工程投資盲目無序；3)在各專題的限制條件避讓和風電場發(fā)電產(chǎn)能測算的環(huán)節(jié)不能有效權(quán)衡利弊；4)資源開發(fā)無端浪費；5)專題委托重復投資；6)規(guī)劃選址混亂無章；7)設計方案反復修改，各專題互相制約；8)“限制因素”混亂，錯失優(yōu)質(zhì)風資源區(qū)域；9)前期工作進展緩慢，最終審批材料難以定奪。

精細化微觀選址是新能源項目前期專題論證的核心，是對各專題限制區(qū)域紅線的深層把控，是新能源項目全面、快速、有效推進的重要保障。風機機位的選址要求極為嚴苛，建設邊界條件的各類建設紅線區(qū)域，直接影響到風機點位的可利用性，應用微觀選址技術(shù)對限制因素的全面排查，有效避免建設過程中限制邊界相互制約的現(xiàn)象，確保風機位置滿足所有限制因素，降低項目盈利風險。各要件推進過程相互制約的現(xiàn)象，業(yè)主單位調(diào)整風機位置很難保障所有限制同時滿足，顧此失彼，致使項目成為“違建工程”，導致項目“核準易，開工難”，“施工易，驗收難”的嚴重問題頻頻出現(xiàn)，加之各項引導政策變化常常快于項目建設周期，能否全面細致把控制約因素關卡，決定新能源項目能否在行業(yè)競爭中突出重圍，深入細致的微觀選址技術(shù)在項目前期支持性專題辦理中的有效把控是依法、合規(guī)建設風電場的有力保障。

3 依靠精細化微觀選址技術(shù)創(chuàng)新?lián)屨柬椖扛黝愘Y源

項目的各類自然環(huán)境條件和限制條件皆是資源，優(yōu)質(zhì)資源的儲備不能局限于項目所在區(qū)域的風資源開發(fā)權(quán)，儲備內(nèi)容更需包括生態(tài)紅線資源、環(huán)保資源、林地資源、地災資源、土地資源、壓礦資源、草原資源、接網(wǎng)資源、軍事資源、文物資源、自然保護區(qū)資源等，只有全局掌握，才能進行區(qū)域統(tǒng)籌規(guī)劃，合理搶占有效資源開發(fā)區(qū)域，合理設計升壓站預留容量，合理避讓限制建設區(qū)，合理制定優(yōu)質(zhì)梯次開發(fā)方案。

3.1 林地資源

林業(yè)的各類限制區(qū)是牽制風電項目開發(fā)和建設的難題，尤其是對用林歸屬為限制區(qū)的林地進行屬性調(diào)整，申報工作難度大，制約因素多，審批流程周期長，組卷辦理過程曲折，造成部分項目因用林手續(xù)不全核準后無法開工。風電項目林業(yè)用地管理辦法征求意見中指出，將自然遺址產(chǎn)地、國家公益林、自然保護區(qū)、森林公園、東北內(nèi)蒙古國家重點公益林區(qū)、鳥類主要遷徙通道等區(qū)域劃為風電場項目禁止建設區(qū)域，將適合風電項目建設區(qū)域進一步縮減，所以儲備風電項目“用林權(quán)益”，確保后續(xù)開發(fā)過程中快速辦理各項用林審核，可有效縮短項目用林審批周期，為順利開工的基建環(huán)節(jié)夯實基礎。

某項目規(guī)劃設計容量為48 MW，擬選用2 MW風機，擬選址24臺風機，但在精細化微觀選址中，需按照100 MW容量，50臺風機選址，在核實林地屬性環(huán)節(jié)要充分考慮預度，還要將核實區(qū)域進一步擴大，再將占用紅線區(qū)域的風機逐臺剔除，明確具體限制區(qū)域后進行精細化選址微調(diào)。圖3為某風電項目選址時機位占用林業(yè)合理利用區(qū)和限制開發(fā)區(qū)的核對圖，確保在設計環(huán)節(jié)有效避讓限制因素。

圖3 某風電項目選址機位林業(yè)限制開發(fā)區(qū)核對圖Fig.3 Forestry restricted development area check map of a wind power project location

3.2 國土資源

基本農(nóng)田是風電項目建設禁區(qū)，集中式光伏項目建設必須使用未利用地。早期的風電項目建設都選址在高聳的山脊上，基本農(nóng)田的限制性影響很小，但隨著各省、市生態(tài)紅線基本是圍繞著高山、濕地和植被覆蓋密集的山丘劃定，高風速地區(qū)資源殆盡，風電發(fā)展向低海拔區(qū)域轉(zhuǎn)移，具備開發(fā)條件的低風速區(qū)域成為搶占熱點，而低海拔地區(qū)的土地性質(zhì)多以農(nóng)田為主，如何在設計選址過程中有效避讓，因地制宜、見縫插針的布置風機直接決定項目的最終受益。

圖4 某風電項目選址機位基本農(nóng)田避讓圖Fig.4 Basic farmland avoidance map of a wind power project site location

圖5 某風電項目選址機位基本農(nóng)田核實圖Fig.5 Basic farmland verification map of a wind power project site location

項目選址工作中，僅憑借現(xiàn)場土地利用情況進行感官判斷，極易造成失真失誤判斷，應根據(jù)項目國土利用資源圖詳盡比對，參看現(xiàn)場建設條件和土地開墾情況做出最終取舍，圖4為某風電項目選址機位基本農(nóng)田避讓圖，圖5為某風電場項目選址機位基本農(nóng)田核實圖，邊界條件核實過程中通過精細化微觀選址技術(shù)將兩圖矢量信息導出，逐一比對，確保項目機位選址有效避讓基本農(nóng)田。同時還應持續(xù)關注地方土地調(diào)規(guī)指標，將項目納入地方規(guī)劃序列。

3.3 環(huán)保資源

圖6 某風電項目選址機位生態(tài)紅線校核圖Fig.6 Ecological red line check map of a wind power project site location

依靠精細化微觀選址技術(shù)將規(guī)劃機位與生態(tài)紅線比對，規(guī)避環(huán)境敏感區(qū)域，確保項目選址合法合規(guī)。具備超前意識和戰(zhàn)略思維，將各區(qū)所屬項目進行全面的精細化梳理，將已投產(chǎn)、工程基建、前期項目的風機位置坐標數(shù)據(jù)全面整理，結(jié)合項目地域規(guī)劃在各市、縣征求生態(tài)紅線劃定區(qū)域時，通過微觀選址技術(shù)人員與紅線劃定部門專項對接，逐項確認，及時申報、反饋、協(xié)調(diào)環(huán)保部門對紅線邊界的圈定，圖6為某項目風機機位與地方生態(tài)紅線校核圖，避免已建項目強制退出和新建工程無法落地，確保新能源項目響應國家綠水青山政策，打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)。超前協(xié)調(diào)環(huán)保生態(tài)紅線邊界劃定，長遠布局。新能源項目受國家及地方政策影響，受限區(qū)域范圍逐漸擴大，生態(tài)紅線劃定工作如期開展，即將嚴格執(zhí)行生態(tài)保護戰(zhàn)略，新能源行業(yè)也應嚴格遵守[10]。新能源項目開發(fā)規(guī)劃范圍如被劃定為生態(tài)紅線區(qū)內(nèi)，規(guī)劃項目點位將面臨調(diào)整，在布機效益性和資源優(yōu)劣上均受到嚴重影響。

3.4 礦產(chǎn)資源

及時核對域礦體產(chǎn)權(quán)經(jīng)營及注銷情況，以便掌握資源占有區(qū)域主礦體的禁止建設區(qū)，礦產(chǎn)壓覆對新能源項目建設存在一定影響，礦產(chǎn)開采的證件具備時效性，進行壓覆手續(xù)辦理和核實項目壓礦資源時應重點核查，尤其是有明顯時間分隔點礦權(quán)劃分區(qū)域，在風電項目建設區(qū)域受限時涉及探礦區(qū)、采礦區(qū)、壓礦區(qū)的界定直接影響機位選址和最終風電場產(chǎn)能效益。選址階段應盡量避免因礦權(quán)問題產(chǎn)生的不必要爭端，在區(qū)域資源整體規(guī)劃時，必須全面排產(chǎn)礦產(chǎn)壓覆情況，嚴格避讓主礦體，積極協(xié)調(diào)采礦區(qū)，實時核查探礦區(qū)的，主動簽訂互補影響協(xié)議書。

4 實施精細化微觀選址全面提升前期項目產(chǎn)能收益率

細化優(yōu)質(zhì)資源高效選址工作應注重平衡點，不能單純追求效益、電量、施工難度、經(jīng)濟價值，應將最大產(chǎn)能效益的開發(fā)作為整體衡量標準，優(yōu)化風機布置，加強精細化微觀選址深度的工作就是對項目經(jīng)濟性的平衡，做到資源利用和選址準確性的高效切合，通過對現(xiàn)場強建設條件和區(qū)域整體地貌、資源條件的全面掌握，實施精細化微觀選址設計定制化方案設計，確保風機的最優(yōu)布置和風資源利用的最大化。某項目區(qū)域主方向為SSW，次主風向為N，高海拔地形復雜風電場[11]全部風機排布方式為沿山脊垂直主風向布置，且機組排列間符合設計標準，充分考慮混排落差可有效降低機組間尾流影響。

針對復雜山地風電場評估，應綜合考慮地表粗糙度[12]、場區(qū)線路、道路等實際情況的設計方案，弱化機組布置產(chǎn)能內(nèi)耗影響，產(chǎn)能內(nèi)耗過高對風電場發(fā)電量有嚴重影響，風電場不確定度影響綜合折減系數(shù)經(jīng)驗值為22%～33%，而尾流折減幾乎占據(jù)8%～12%，過高的尾流內(nèi)耗成為阻礙風電場整體發(fā)電量提升的制約因素，尤其對低風速項目影響程度加大[13-14]。圖7所示某項目風機布置方案可視產(chǎn)能測算方案，把機組放在氣流上翹，影響最大區(qū)域的坡度邊緣區(qū)域，會嚴重影響后排機組發(fā)電能力，也存在部分機組是因為設計時計算入流角超標，而把機組后退到坡度邊緣位置的，氣流分離讓該臺機組大風不發(fā)電或出現(xiàn)機組過速停機。軟件測算中要嚴格導入實測圖測繪高層標注信息，降低不確定度的影響。通過定制化選址方案和混排機組設計，從本質(zhì)上改變個別海拔較低區(qū)域風機產(chǎn)能低的狀態(tài)，達到最佳功率曲線穩(wěn)定區(qū)間,選址過程中不斷進行微調(diào)和測算，在滿足各項紅線范圍內(nèi)確保風電場整體發(fā)電量最高，每個風機點位選取必須經(jīng)過全面的系統(tǒng)評估和測算，對比不同機型與選址機位的最佳組合方案。精細化微觀選址的目的就是有效降低各風機的尾流影響，促使風電場處于整體發(fā)電能力最佳狀態(tài)，機組布置方案均依照整體風場發(fā)電能力最高情況下的單臺風機最優(yōu)化，不斷移位測算，定制化調(diào)整。

圖7 某項目風機布置方案可視產(chǎn)能標注圖Fig.7 Visual productivity map for fan layout plan in a project

5 結(jié)論

精細化微觀選址技術(shù)在規(guī)劃環(huán)節(jié)和項目開發(fā)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新應用，有效破解新能源前期發(fā)展瓶頸，降低內(nèi)部損耗，確保項目產(chǎn)能收益。精細化微觀選址實現(xiàn)對整個項目區(qū)域風機尾流的精確模擬，確保后續(xù)全場風資源模擬、機組選型、機位適用性，分析每個機位不同的風能特性，實現(xiàn)風電場定制化設計，促使項目開發(fā)更具經(jīng)濟性。創(chuàng)新應用精細化微觀選址技術(shù)制定區(qū)域風電場全局發(fā)展戰(zhàn)略和科學化風機布置方案，可全面排查核準過程中的各項限制因素，提質(zhì)增效，為快速核準創(chuàng)造優(yōu)勢條件，是優(yōu)質(zhì)化、高效化、效益化創(chuàng)新型風電場工程建設的重要保障。