陸上復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)布機(jī)方法研究

文 | 苗得勝，吳迪，劉懷西，張敏，劉飛虹

隨著我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，陸上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)重心逐漸從高風(fēng)速平坦地形區(qū)域轉(zhuǎn)移到中低風(fēng)速?gòu)?fù)雜地形區(qū)域。機(jī)位方案的好壞直接影響風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，機(jī)位排布是風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)中的重要環(huán)節(jié)。

復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)海拔變化大，風(fēng)速分布不均，風(fēng)況復(fù)雜。布機(jī)時(shí)不僅要求機(jī)位點(diǎn)的風(fēng)能資源好，還要求機(jī)位點(diǎn)、避開(kāi)限制區(qū)域，入流角、風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度等風(fēng)能資源參數(shù)滿足規(guī)范和機(jī)組要求，機(jī)組之間滿足最小機(jī)距要求等。目前，陸上風(fēng)電場(chǎng)多采用手動(dòng)布機(jī)的方式制定機(jī)位排布方案，但是風(fēng)能資源工程師用手動(dòng)布置的機(jī)位計(jì)算發(fā)電量并復(fù)核安全性時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)一些機(jī)位點(diǎn)發(fā)電量過(guò)低或不滿足某項(xiàng)限制因素要求的情況，必須調(diào)整機(jī)位點(diǎn)，重新計(jì)算和校核。因此，一些復(fù)雜項(xiàng)目往往需要重復(fù)進(jìn)行選址、計(jì)算、校核才能制定一個(gè)合格的機(jī)位方案，耗費(fèi)大量時(shí)間和計(jì)算資源。

基于此，研究一種針對(duì)陸上復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)的自動(dòng)布機(jī)方法具有實(shí)際意義。本文以解決陸上復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)的布機(jī)難題為出發(fā)點(diǎn)、以發(fā)電量最優(yōu)為目標(biāo)，排布過(guò)程中考慮各項(xiàng)限制因素，提出了一種陸上復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)自動(dòng)布機(jī)方法。同時(shí)將該方法應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，通過(guò)與手動(dòng)布機(jī)方案對(duì)比，驗(yàn)證了本方法的合理性和先進(jìn)性。

自動(dòng)布機(jī)方法

一、布機(jī)思路

基于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源計(jì)算結(jié)果，提取測(cè)風(fēng)塔修正后場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)的風(fēng)能資源參數(shù)（高程、風(fēng)速、入流角、風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度），結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)范圍和限制區(qū)域、風(fēng)電機(jī)組型號(hào)和機(jī)組要求、風(fēng)電場(chǎng)布機(jī)要求，循環(huán)地在場(chǎng)區(qū)內(nèi)尋找發(fā)電量最優(yōu)的機(jī)位點(diǎn)，布機(jī)并更新風(fēng)能資源圖譜，直到選出所有機(jī)位點(diǎn)，完成布機(jī)。

將上述流程細(xì)化，得到自動(dòng)布機(jī)的邏輯流程如圖1所示。

在計(jì)算過(guò)程中，如果出現(xiàn)有效布機(jī)區(qū)域不足或者機(jī)位點(diǎn)風(fēng)速低于用戶設(shè)定最小風(fēng)速的情況，程序會(huì)結(jié)束計(jì)算并給出提示。

二、關(guān)鍵技術(shù)

（一）考慮尾流效應(yīng)布機(jī)

在確定每一臺(tái)機(jī)位后，根據(jù)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速分布、粗糙度、測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和尾流模型，對(duì)整個(gè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的風(fēng)速圖譜進(jìn)行計(jì)算并更新，然后根據(jù)新的風(fēng)能資源圖譜進(jìn)行下一臺(tái)機(jī)位點(diǎn)的選擇。這一做法保證了風(fēng)電機(jī)組不會(huì)置于臨近風(fēng)電機(jī)組尾流影響較大的區(qū)域內(nèi)。

圖1 自動(dòng)布機(jī)邏輯圖

計(jì)算尾流效應(yīng)時(shí)，本文采用了改進(jìn)的PARK尾流模型和Jensen尾流模型。這兩種模型是目前風(fēng)電行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的半經(jīng)驗(yàn)尾流模型，被大多數(shù)風(fēng)能資源計(jì)算和評(píng)估軟件用來(lái)計(jì)算風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)。

改進(jìn)的PARK尾流模型描述的風(fēng)電機(jī)組后錐形尾流的風(fēng)速減速因數(shù)Cwake計(jì)算公式如下：

式中，x為當(dāng)前位置與風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)向上的投影距離；Ct為推力系數(shù)，其值對(duì)應(yīng)上風(fēng)向風(fēng)速，且要求0≤Ct＜1；Crotor為產(chǎn)生尾流影響的風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑；Aoverlap（x）是下游受影響葉輪面與尾流影響截面的重疊面積；ADownWind（x）是尾流影響截面面積；k為尾流衰減因子。

其中，尾流衰減因子的計(jì)算公式如下：

式中，Iurot為產(chǎn)生尾流的風(fēng)電機(jī)組輪轂高度處湍流強(qiáng)度。

Jensen模型計(jì)算風(fēng)速減速因數(shù)Cwake的方法與PARK模型一致，計(jì)算尾流衰減因子的方法與PARK模型不同，公式如下：

式中，A為系數(shù)，一般取0.5；h為風(fēng)電機(jī)組輪轂高度（m）；z0為風(fēng)電機(jī)組所在位置的粗糙度高度（m）。

尾流影響后的風(fēng)速大小為：

式中，UAfterWake（x）為下風(fēng)向距離風(fēng)電機(jī)組x米處的尾流后風(fēng)速；UBeforeWake（x）為下風(fēng)向距離風(fēng)電機(jī)組x米處尾流前環(huán)境風(fēng)速。

在選擇一臺(tái)機(jī)組后，通過(guò)計(jì)算場(chǎng)區(qū)內(nèi)每一個(gè)單元受到該機(jī)組的尾流影響來(lái)計(jì)算尾流后的風(fēng)速大小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)速圖譜的更新，計(jì)算流程如下：

首先，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)每一個(gè)單元，計(jì)算該單元與風(fēng)電機(jī)組的距離，根據(jù)尾流影響范圍判定是否受到該風(fēng)電機(jī)組的尾流影響。

然后，對(duì)受到影響的單元，計(jì)算該單元受到風(fēng)電機(jī)組影響的風(fēng)向范圍，并計(jì)算該風(fēng)向范圍在測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)中的風(fēng)頻占比。計(jì)算方法如下：

式中，ProbDirRange為該單元受影響的風(fēng)向范圍的風(fēng)頻占比，ProbDirStart是該單元順時(shí)針?lè)较蛏祥_(kāi)始受到風(fēng)電機(jī)組尾流影響的風(fēng)向累計(jì)概率密度函數(shù)，ProbDirEnd是該單元順時(shí)針?lè)较蛏辖Y(jié)束受到風(fēng)電機(jī)組尾流影響的風(fēng)向累計(jì)概率密度函數(shù)。

之后，計(jì)算受影響單元的風(fēng)速減速因數(shù)，計(jì)算受影響后的風(fēng)速，結(jié)合受影響的風(fēng)頻占比，計(jì)算尾流影響后的風(fēng)速。計(jì)算公式如下：

最后，根據(jù)所有網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，生成新的風(fēng)速圖譜?；诟潞蟮娘L(fēng)速圖譜，進(jìn)行下一個(gè)機(jī)位點(diǎn)的選擇。

（二） 不合理機(jī)位剔除

由于在布機(jī)過(guò)程中無(wú)法考慮機(jī)位點(diǎn)分布對(duì)道路和集電線路成本的影響，本方法加入了基于機(jī)位分布的孤立機(jī)位檢測(cè)算法，來(lái)檢測(cè)并剔除遠(yuǎn)離機(jī)群的機(jī)位。

激活不合理機(jī)位剔除功能后，可以根據(jù)用戶設(shè)定的剔除標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不合理機(jī)位點(diǎn)篩選，避免發(fā)生因單臺(tái)機(jī)位修路過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致道路成本過(guò)高的情況。不合理機(jī)位剔除示意圖如圖2所示。

根據(jù)設(shè)定的剔除標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圖2中機(jī)位排布方案進(jìn)行不合理機(jī)位點(diǎn)篩選，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)正北方有一臺(tái)孤立機(jī)位，東南方有兩臺(tái)孤立機(jī)位，如圖中紅色點(diǎn)位所示。剔除這些機(jī)位點(diǎn)，可以大大減少場(chǎng)內(nèi)道路成本。

項(xiàng)目驗(yàn)證

選取實(shí)際工程項(xiàng)目，采用本文所述方法進(jìn)行布機(jī)，與傳統(tǒng)手動(dòng)布機(jī)方案進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本方法的合理性和先進(jìn)性。

圖2 不合理機(jī)位剔除示意圖

一、項(xiàng)目概述

該項(xiàng)目位于河南省南部山區(qū)，屬于典型的中低風(fēng)速?gòu)?fù)雜地形山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)電場(chǎng)邊界如圖3中灰線所示，占地約110km2。風(fēng)電場(chǎng)中有一處野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)，邊界如圖3中紅線所示，占地面積約40km2，此區(qū)域內(nèi)不能布機(jī)。有效的布機(jī)區(qū)域占地約70km2。

風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃容量為100MW，業(yè)主要求采用MySE3.2-145低風(fēng)速機(jī)型，共計(jì)32臺(tái)。

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)有一座測(cè)風(fēng)塔位于保護(hù)區(qū)邊界上，如圖3中E1所示位置。測(cè)風(fēng)塔主風(fēng)向?yàn)闁|北偏東，次主風(fēng)向?yàn)槲髂掀?。主風(fēng)向和次主風(fēng)向風(fēng)頻占比較大。測(cè)風(fēng)塔年平均風(fēng)速為4.43m/s。該測(cè)風(fēng)塔完整年數(shù)據(jù)的風(fēng)速分布圖和風(fēng)向玫瑰圖如圖4（a）、圖4（b）所示。

二、風(fēng)能資源數(shù)據(jù)

布機(jī)所需風(fēng)能數(shù)據(jù)包括：采用風(fēng)能資源計(jì)算軟件WT進(jìn)行定向計(jì)算，并用測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算，獲取風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔高度等高面的風(fēng)能資源參數(shù)圖譜（包括平面坐標(biāo)、高程、風(fēng)速、入流角、風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度、威布爾參數(shù)等）；風(fēng)電場(chǎng)密度下MySE3.2-145機(jī)型對(duì)應(yīng)的功率曲線；風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)測(cè)風(fēng)塔修正后的平風(fēng)年風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。

三、控制參數(shù)設(shè)置

按照業(yè)主要求，機(jī)位方案要滿足規(guī)范安全要求和機(jī)組安全設(shè)定。需要考慮的限制因素有：風(fēng)電場(chǎng)邊界、風(fēng)電場(chǎng)限制布機(jī)區(qū)域、最小機(jī)距、入流角、風(fēng)切變、最低布機(jī)風(fēng)速。設(shè)定風(fēng)電場(chǎng)布機(jī)的限制因素如表1所示。

四、計(jì)算結(jié)果

采用本文所述自動(dòng)布機(jī)方法，基于上述風(fēng)電場(chǎng)要求進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位方案的排布，得到機(jī)位方案如圖5所示。采用自動(dòng)布機(jī)方案計(jì)算得到的風(fēng)速圖譜如圖6所示。

業(yè)主提供的手動(dòng)布機(jī)方案同樣采用32臺(tái)3.2-145機(jī)型，機(jī)位分布如圖7所示。采用手動(dòng)布機(jī)方案計(jì)算得到的風(fēng)速圖譜如圖8所示。

對(duì)比圖6和圖8，可以發(fā)現(xiàn)自動(dòng)布機(jī)方案在高風(fēng)速山脈上的布機(jī)更為緊湊，在滿足3倍風(fēng)輪直徑的機(jī)距前提下，充分利用了場(chǎng)內(nèi)資源。同時(shí)，與手動(dòng)布機(jī)方案相比，自動(dòng)布機(jī)方案篩選并剔除遠(yuǎn)離主機(jī)群的機(jī)位，降低了道路建設(shè)成本。

將自動(dòng)布機(jī)方案與業(yè)主方手動(dòng)布機(jī)方案的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，包括：尾流前后的平均風(fēng)速、折減后的年利用小時(shí)數(shù)、風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電收益。計(jì)算過(guò)程中，上網(wǎng)電價(jià)取0.42元/千瓦時(shí)，發(fā)電量折減取0.8。對(duì)比結(jié)果如表2所示。

圖3 風(fēng)電場(chǎng)范圍示意圖

圖4 風(fēng)速風(fēng)向分布圖

圖5 自動(dòng)布機(jī)方案示意圖

表1 風(fēng)電場(chǎng)布機(jī)限制因素

圖6 自動(dòng)布機(jī)方案風(fēng)速圖譜

圖7 手動(dòng)布機(jī)方案示意圖

圖8 手動(dòng)布機(jī)方案風(fēng)速圖譜

表2 自動(dòng)布機(jī)方案與手動(dòng)布機(jī)方案對(duì)比

表2中數(shù)據(jù)顯示，采用本文所述方法得到的機(jī)位排布方案在尾流后平均風(fēng)速、平均利用小時(shí)數(shù)、風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電收益上均優(yōu)于業(yè)主提供的機(jī)位排布方案。其中，尾流前平均風(fēng)速高出0.133m/s，尾流后平均風(fēng)速高出0.209m/s，折減后的年利用小時(shí)數(shù)高出154.8小時(shí)，整場(chǎng)年發(fā)電收益高出665.77萬(wàn)元。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用本文所述自動(dòng)布機(jī)方法進(jìn)行復(fù)雜地形陸上風(fēng)電場(chǎng)布機(jī)得到的機(jī)位排布方案在發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)收益上優(yōu)勢(shì)明顯。按照25年的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行期來(lái)計(jì)算，相對(duì)于業(yè)主的機(jī)位方案，采用本方法獲得的機(jī)位排布方案可以給業(yè)主創(chuàng)造1.664億元的額外發(fā)電收入。對(duì)一個(gè)100MW的陸上風(fēng)電場(chǎng)而言，這一收益是非?？捎^的。

結(jié)論

本文提出了一種針對(duì)陸上復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)的自動(dòng)布機(jī)方法，實(shí)現(xiàn)了基于場(chǎng)內(nèi)風(fēng)能資源分布，同時(shí)考慮各項(xiàng)限制因素和風(fēng)電場(chǎng)排布要求的自動(dòng)優(yōu)化布機(jī)。

此外，通過(guò)一個(gè)實(shí)際工程案例，對(duì)本方法的實(shí)用性和先進(jìn)性進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)比業(yè)主提供的機(jī)位方案發(fā)現(xiàn)，采用本文所述自動(dòng)布機(jī)方法獲得的機(jī)位方案，在平均風(fēng)速、年凈利用小時(shí)數(shù)和年發(fā)電收益上均具有明顯優(yōu)勢(shì)。這一結(jié)論驗(yàn)證了本文所述自動(dòng)布機(jī)方法的科學(xué)性和實(shí)用性。本方法的主要特點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）本方法以發(fā)電量最優(yōu)為布機(jī)目標(biāo)，獲取的機(jī)位排布方案相比手動(dòng)排布的方案具有明顯的發(fā)電量?jī)?yōu)勢(shì)。

（2）本方法在計(jì)算過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)算風(fēng)電機(jī)組尾流效應(yīng)對(duì)排布的影響，因而獲得的機(jī)位方案尾流損失明顯較小。同時(shí)降低了尾流引起的機(jī)組安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）本方案在排布過(guò)程中考慮了規(guī)范中對(duì)于入流角、風(fēng)切變等風(fēng)能資源參數(shù)的限制，使得進(jìn)行一次排布即可滿足機(jī)組安全性要求，避免了手動(dòng)布機(jī)時(shí)反復(fù)調(diào)整機(jī)位的情況。

（4）本方法加入了異常機(jī)位點(diǎn)剔除功能，對(duì)遠(yuǎn)離風(fēng)電機(jī)組集群的機(jī)位點(diǎn)進(jìn)行篩選和剔除，避免了某些機(jī)位點(diǎn)道路和集電線路成本過(guò)高的問(wèn)題。

（5）本方法具有較高的計(jì)算效率，在30分鐘內(nèi)完成計(jì)算并輸出機(jī)位方案，極大地縮短了布機(jī)時(shí)間。