山地風(fēng)電場(chǎng)微觀(guān)選址造成風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量偏低問(wèn)題分析及移位改造方法研究

摘 要：受部分山區(qū)地形復(fù)雜的影響，風(fēng)電場(chǎng)微觀(guān)選址工作面臨很多困難。為解決復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)微觀(guān)選址過(guò)程中個(gè)別風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際發(fā)電能力嚴(yán)重低于設(shè)計(jì)值等問(wèn)題，基于CFD數(shù)值模擬，提出利用冗余機(jī)位對(duì)發(fā)電量偏低的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行移位改造的選址測(cè)算方法。選取黑龍江省某山地風(fēng)電場(chǎng)改造后的實(shí)際發(fā)電效率進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)單有效，能夠準(zhǔn)確模擬測(cè)算風(fēng)電場(chǎng)及其周?chē)稍偕Y源情況，對(duì)復(fù)雜山區(qū)地形下風(fēng)電場(chǎng)的微觀(guān)選址具有理論參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng);微觀(guān)選址;復(fù)雜地形;發(fā)電效率

0 ? ?引言

隨著世界范圍內(nèi)可再生能源的迅速發(fā)展，風(fēng)能作為最具發(fā)展前景的清潔能源之一受到廣泛關(guān)注[1]。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展迅速，我國(guó)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量也呈指數(shù)型的爆炸式增長(zhǎng)模式，截至2019年底，我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)21 005萬(wàn)kW[2]。隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷增大，風(fēng)電場(chǎng)的微觀(guān)選址、移位改造和機(jī)組的合理布局對(duì)提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率、合理利用風(fēng)能資源、正確預(yù)測(cè)機(jī)組發(fā)電能力等具有重要意義[3]，在一定程度上也可提高風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)能力，保證電力經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]。

考慮到風(fēng)電場(chǎng)選址一般為復(fù)雜的山地，需計(jì)及高低起伏變化的地面效應(yīng)對(duì)發(fā)電效率產(chǎn)生的影響[4]，同時(shí)復(fù)雜地形上的風(fēng)電場(chǎng)較戈壁灘單一地形相比，其脊谷交錯(cuò)、地勢(shì)起伏，局部的山谷對(duì)發(fā)電效率的影響比較顯著[5]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)復(fù)雜地形的風(fēng)電場(chǎng)微觀(guān)選址問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)的研究[6-9]，如利用再分析數(shù)據(jù)法，模擬風(fēng)向?qū)︼L(fēng)機(jī)布置的影響[10];較為細(xì)致地對(duì)機(jī)位優(yōu)化、尾流問(wèn)題進(jìn)行了理論研究[11]等。但上述研究?jī)H停留在理論研究與模擬階段，通過(guò)實(shí)地勘驗(yàn)，在現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)微觀(guān)選址的過(guò)程中還存在許多問(wèn)題，如測(cè)風(fēng)塔、等高線(xiàn)等其他限制因素[4]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD數(shù)值模擬方法[12]能夠較好地再現(xiàn)流體環(huán)繞復(fù)雜幾何的流動(dòng)狀況，這種新型的方法被越來(lái)越多地應(yīng)用于復(fù)雜地形的風(fēng)電場(chǎng)微觀(guān)選址問(wèn)題的研究上。文獻(xiàn)[13]表明CFD數(shù)值模擬方法能夠?qū)?fù)雜地形甚至極端陡峭地形下的風(fēng)場(chǎng)的流體狀況進(jìn)行模擬;文獻(xiàn)[14]采用CFD模擬再現(xiàn)實(shí)際地形中的風(fēng)電場(chǎng)，分析網(wǎng)格、湍流模型的不同對(duì)風(fēng)旋渦位置與速度分布的影響;文獻(xiàn)[15]利用CFD分析軟件模擬峽谷地形中的風(fēng)流動(dòng)規(guī)律。目前利用CFD數(shù)值模擬分析風(fēng)電場(chǎng)的微觀(guān)選址問(wèn)題的研究仍處于起步階段，對(duì)山坡、山丘、脊谷等方面還需要進(jìn)一步的研究。

本文基于CFD數(shù)值模擬，提出利用冗余機(jī)位對(duì)發(fā)電量偏低的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行移位改造的選址測(cè)算方法。選取黑龍江省某山地風(fēng)電場(chǎng)改造后的實(shí)際發(fā)電效率進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)單有效，能夠準(zhǔn)確模擬測(cè)算風(fēng)電場(chǎng)及其周?chē)稍偕Y源的情況，對(duì)復(fù)雜山區(qū)地形下風(fēng)電場(chǎng)的微觀(guān)選址具有理論參考價(jià)值。

1 ? ?CFD數(shù)值模擬法

1.1 ? ?流動(dòng)控制方程

基于雷諾時(shí)均的質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程如下：

式中：ρ為流體密度;t為時(shí)間;xi、xj分別為i、j方向上的坐標(biāo);μi、μj分別為流體速度沿i、j方向上的分量;p為靜壓力;τij為應(yīng)力矢量;gi為i方向上的重力分量;Fi為由壓力和能源而引起的其他能源項(xiàng)。

1.2 ? 湍流模型

利用網(wǎng)格（Gigid）對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，選擇RNC k-ε湍流模型，該模型能夠適用于旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的分析與建模。RNC k-ε湍流模型如下：

式中：k為湍流動(dòng)能;ε為湍流動(dòng)能耗散率;Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb為由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM為在可壓縮湍流中過(guò)度擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng);αk、αε分別為k方程和ε方程的普朗特常數(shù);C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù);Sk、Sε為修正系數(shù)。

與標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型不同，RNC k-ε湍流模型增加了考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)粘性的解析式，在添加約束條件的同時(shí)，考慮湍流旋渦，并將標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型中的變量變?yōu)橥牧髌绽侍爻?shù)提供的解析式，有效提高了計(jì)算精度，使得RNC k-ε湍流模型更加適用于旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)分析。

2 ? ?實(shí)例分析

2.1 ? ?算例概況

黑龍江省某山地風(fēng)電場(chǎng)如圖1所示，地形起伏較大，地面高程為170～357 m的低山丘陵。風(fēng)電場(chǎng)一期工程于2004年6月開(kāi)展測(cè)風(fēng)工作，2007年核準(zhǔn)開(kāi)工建設(shè)，裝機(jī)容量49.5 MW，安裝33臺(tái)FD-70B/1500型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，2008年首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2009年9月全部機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。自投運(yùn)以來(lái)，#20風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量只有212萬(wàn)kWh，僅為微觀(guān)選址的理論發(fā)電量的65.9%，相當(dāng)于風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)年平均發(fā)電量的66%左右，嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值，且故障率相對(duì)較高（處于山坡邊緣，風(fēng)速不穩(wěn)定，湍流強(qiáng)度大）。為提升該風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力，改善其運(yùn)行環(huán)境，于2012年對(duì)其進(jìn)行了移位改造。

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)微觀(guān)選址報(bào)告，風(fēng)電場(chǎng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)，風(fēng)電場(chǎng)微觀(guān)選址布機(jī)情況如圖2所示。由圖可見(jiàn)，#20風(fēng)機(jī)處于主風(fēng)向山脈東側(cè)，且海拔高度低于西側(cè)山脈70多m，前后兩排最近距離只有600 m，造成該位置風(fēng)速明顯小于設(shè)計(jì)風(fēng)速，且風(fēng)電機(jī)中心位置距山坡邊緣約30 m，山谷深度約85 m，坡度約65°。實(shí)際運(yùn)行后風(fēng)速極不穩(wěn)定，導(dǎo)致該機(jī)組故障較多。

#20機(jī)組年實(shí)際運(yùn)行對(duì)比情況如表1所示。

由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，無(wú)論風(fēng)速還是發(fā)電量，#20風(fēng)電機(jī)組都與風(fēng)電場(chǎng)平均值偏差較大。該風(fēng)電機(jī)組年可利用率93.20%，低于全風(fēng)電場(chǎng)年可利用率97.80%的水平。考慮剔除該風(fēng)電機(jī)組可利用率不同的影響，這里將該機(jī)組的年可利用率按風(fēng)電場(chǎng)平均值進(jìn)行修正，修正后的年發(fā)電量2 240 MWh，與風(fēng)電場(chǎng)平均發(fā)電量的相對(duì)值為70.20%。主要原因是微觀(guān)選址等方面存在問(wèn)題，具體如下：

（1）當(dāng)時(shí)的微觀(guān)選址軟件處理復(fù)雜地形能力不足。當(dāng)時(shí)采用的微觀(guān)選址軟件為WASP，軟件地形模型算法簡(jiǎn)單，沒(méi)有CFD功能，處理山地風(fēng)電場(chǎng)湍流問(wèn)題存在一定困難，特別是應(yīng)對(duì)一些復(fù)雜地形更顯不足。

（2）地形圖數(shù)據(jù)精度不高。當(dāng)時(shí)用的是1：10 000的數(shù)字地形圖，由于精度不高，不能充分反映現(xiàn)場(chǎng)地形的復(fù)雜狀況。

（3）設(shè)計(jì)選址人員經(jīng)驗(yàn)不足。選址人員沒(méi)有充分考慮#20機(jī)位處于地勢(shì)變化較大的山谷邊緣，造成該機(jī)位湍流強(qiáng)度大，風(fēng)速不穩(wěn)定，同時(shí)也沒(méi)有避開(kāi)主風(fēng)向前方山峰的遮擋。

（4）測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)。測(cè)風(fēng)塔的位置不在風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，測(cè)風(fēng)塔的高度只有50 m，小于輪轂高度65 m，測(cè)風(fēng)塔的位置海拔較低。

2.2 ? ?方案設(shè)計(jì)

依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)微觀(guān)選址報(bào)告，當(dāng)時(shí)初步選擇時(shí)有44個(gè)機(jī)位，首先從中選定了3個(gè)備選機(jī)位，位置情況如圖3所示。3個(gè)備選機(jī)位的微觀(guān)選址情況如表2所示，3個(gè)備選機(jī)位中，備選一，平臺(tái)狹小，離附近機(jī)位距離近，地勢(shì)陡峭，且處于主風(fēng)向下方;備選二，離周?chē)L(fēng)機(jī)距離較近，它的尾流對(duì)其后方3臺(tái)機(jī)組的影響較大;備選三，地勢(shì)平坦，平臺(tái)面積大，地形與附近機(jī)組相似，且只會(huì)對(duì)其后面1臺(tái)機(jī)組造成尾流影響。

利用風(fēng)電場(chǎng)近兩年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)選定的3個(gè)備選機(jī)位，利用其臨近機(jī)組年發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析，如表3所示。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果比對(duì)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況，最終確認(rèn)將#20風(fēng)電機(jī)組移位至#33風(fēng)機(jī)附近的備選三號(hào)機(jī)位。安裝于新機(jī)位的#20風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量約290萬(wàn)kWh，風(fēng)電機(jī)移位后比原機(jī)位每年多發(fā)電78萬(wàn)kWh，發(fā)電能力提升了36.8%。各機(jī)組發(fā)電量通過(guò)下式計(jì)算：

式中：W為新機(jī)位年理論發(fā)電量;k為修正系數(shù)（考慮機(jī)組性能差異、風(fēng)資源水平年差異因素影響修正值，建議取值0.9～1.0，本例中選取0.95）;Ws為備選機(jī)位臨近機(jī)組年實(shí)際發(fā)電量;Wb為微觀(guān)選址年發(fā)電量;Wl為備選機(jī)位臨近機(jī)組年理論設(shè)計(jì)發(fā)電量。

由于當(dāng)初項(xiàng)目已經(jīng)多征用了11個(gè)機(jī)位的土地，集電線(xiàn)路設(shè)計(jì)也存在冗余，3個(gè)備選機(jī)位在道路、風(fēng)機(jī)及箱變基礎(chǔ)、機(jī)組拆除和安裝、集電線(xiàn)路等方面施工條件相近，施工費(fèi)用近似相同，所以在點(diǎn)位選擇時(shí)僅考慮發(fā)電量最優(yōu)方案即可。

2.3 ? ?實(shí)施過(guò)程

對(duì)#20風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了移位改造。主要工作包括：新建一段道路、一個(gè)風(fēng)電機(jī)組和機(jī)組變壓器基礎(chǔ)，風(fēng)電機(jī)組的拆除和重新安裝，電纜、光纜的敷設(shè)。工期2個(gè)月，改造費(fèi)用合計(jì)136萬(wàn)元。

2.4 ? ?改造效果

項(xiàng)目實(shí)施后效果明顯。對(duì)改造后6年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，年平均風(fēng)速6.72 m/s，年平均發(fā)電量288萬(wàn)kWh，年增加發(fā)電量76萬(wàn)kWh，年增加收入46萬(wàn)元，累計(jì)增收278萬(wàn)元。

該機(jī)位風(fēng)速穩(wěn)定，每年可利用率都在95%以上，平均年可利用率97.4%，風(fēng)電機(jī)故障停機(jī)次數(shù)減少60%。移位后，原#20機(jī)位附近的#19風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量也得到了一定提升。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

這次移位改造的實(shí)際運(yùn)行情況和改造方案的理論計(jì)算十分接近，主要原因如下：一是熟悉現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)資源及地形狀況，掌握了第一手資料;二是本文比對(duì)計(jì)算法雖然簡(jiǎn)單，卻消除了風(fēng)資源、地形等因素的影響，將不同位置風(fēng)機(jī)發(fā)電量與風(fēng)速的非線(xiàn)性關(guān)系轉(zhuǎn)化為發(fā)電量與臨近風(fēng)機(jī)發(fā)電量的線(xiàn)性關(guān)系。由于微觀(guān)選址工作至關(guān)重要，直接關(guān)系到風(fēng)電項(xiàng)目收益，必須高度重視，尤其是復(fù)雜地形的情形。要選用合適的選址工具軟件，具備CFD功能，能夠很好地處理復(fù)雜地形;要有高精度的地形圖（地勢(shì)平坦1：5 000，地形陡峭復(fù)雜1：2 000）;具有代表性的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，測(cè)風(fēng)塔一定在開(kāi)發(fā)區(qū)域內(nèi)，且位置具有代表性，測(cè)風(fēng)塔的高度大于輪轂高度，測(cè)風(fēng)塔的數(shù)量要足夠;由經(jīng)驗(yàn)豐富的人員開(kāi)展微觀(guān)選址工作。一旦出現(xiàn)因微觀(guān)選址問(wèn)題導(dǎo)致發(fā)電量偏低的機(jī)組，要盡早采取有效措施對(duì)其進(jìn)行移位改造。制定移位改造方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際情況，利用現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組實(shí)際的風(fēng)速和發(fā)電量數(shù)據(jù)，采用有效方法，提高移位改造的經(jīng)濟(jì)性。

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收稿日期：2020-12-16

作者簡(jiǎn)介：陳國(guó)光（1970—），男，黑龍江拜泉人，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目前期、基建、運(yùn)行管理工作。