大型低風速風電場運行分析

張小雷，高崇倫，吳愛國

（1.安徽龍源風力發(fā)電有限公司，滁州 239200；2.浙江舟山啟明電力建設有限公司，舟山 316000）

0 引言

隨著全球化石能源（煤、石油、天然氣等）的逐漸短缺以及日益嚴峻的氣候變化形勢，風能作為清潔、高效的可再生能源得到世界各國的重視和開發(fā)利用[1]。目前，我國風能開發(fā)主要集中在風能資源豐富的高風速區(qū)域。此類區(qū)域風能資源雖豐富，但由于經濟欠發(fā)達,無法消納足夠的風電資源，常出現(xiàn)棄風現(xiàn)象，需通過建設堅強電網實現(xiàn)大容量的風電送出。且目前風電開發(fā)僅集中在風能資源豐富區(qū)和較豐富區(qū)，這部分區(qū)域分別占全國面積8%和18%，主要集中在三北地區(qū)(東北、華北、西北)和東南沿海等地，可開發(fā)地域面積較小[2]。因此，人們逐漸將視野移向幅員遼闊的低風速區(qū)域。

目前，所謂“低風速地區(qū)”在國內一般被認為是國家氣象局發(fā)布的我國風能三級區(qū)劃指標體系中第三級區(qū)域，即為風能可利用區(qū)。全國范圍內風能可利用區(qū)面積約占全國面積的50%[2]。與高風速區(qū)域相比，低風速區(qū)域開發(fā)風電存在以下優(yōu)勢：

（1）可開發(fā)面積廣，開發(fā)潛能巨大；（2）接近負荷中心，不存在遠距離送出，降低送出成本。電網條件好，低風速風電既可并網，也可離網就地使用，運行方式靈活方便；（3）低風速風電運行維護費用低、度電成本低，且低風速風電單位造價也會隨著推廣規(guī)模的不斷擴大而降低[3]；（4）電價高，增大了開發(fā)商的盈利空間。值得一提的是，各地方響應國家號召進行新能源產業(yè)的布局，很多地方如山東、湖北等地，在標桿電價基礎上還有財政補貼。

1 來安風電場基本情況

來安縣地處皖東、江淮之間，為江淮分水嶺，風能資源較豐富[4]。來安風電場是國內首個低風速風電場，也是安徽省首個風電場。風電場80m風功率密度等級為1 級，風電場年可利用風速小時數較多，70m高度在3m/s～25m/s年小時數為7600h，在4m/s～25m/s年小時數為6600h。來安風電場位于來安縣北部低山丘陵地區(qū)，分五期建設，總裝機247.5MW，共有165臺單機1.5MW風電機組，其中132臺A87/1500機組和33臺B86/1500機 組。2011年1月6日，風電場首臺機組并網發(fā)電。由于安徽省風電開發(fā)規(guī)模小，截至2012年年底，安徽省統(tǒng)調機組約25000MW，其中風電裝機規(guī)模為300MW，風電裝機占比僅為1.2%，占比較小，而且風電場附近有600MW瑯琊山抽水蓄能電站，電網具有很強的調峰能力。自來安風電場投運以來，所發(fā)電力全額上網，就近消納，沒有發(fā)生過限出力情況[5]。

2 來安低風速風電場運行分析

2.1 風電場運行概述

來安低風速風電場自投產以來，風電機組運行穩(wěn)定，取得了一定的經濟效益。2012年1月－12月，風電機組全場平均可利用率98.78%，風電機組運行平穩(wěn)，故障率較低，發(fā)電設備裝機平均等效滿負荷小時數和平均凈上網小時數與可行性研究報告基本持平，全場綜合廠用電率為2.46%。風電場選用兩個廠家的風電機組，一、二、三、五期采用A公司A87/1500機組，四期采用B公司B86/1500機組。

2.2 相對海拔高度對發(fā)電量的影響

風電場模擬軟件顯示發(fā)電量隨海拔變化趨勢不明顯。本文統(tǒng)計了不同海拔下實際運行中各機位實發(fā)小時數，并與交底電量進行對比，發(fā)現(xiàn)實際發(fā)電量隨相對海拔上升增加較明顯，如圖1所示。通過曲線擬合，發(fā)現(xiàn)實發(fā)小時數與海拔高度成一次線性關系，其斜率為5.16，即海拔每下降10m，發(fā)電小時數平均下降51.6h，如圖2所示。本結論為后續(xù)低風速風電項目測風塔數據數量不足或代表性欠缺提供了修正經驗。

2.3 森林（粗糙度）對發(fā)電量的影響

根據實地踏勘記錄和衛(wèi)星照片，將A公司生產的四期132臺風電機組分為有樹林和無樹林兩類地貌。統(tǒng)計兩類地貌下的機艙風速和發(fā)電量如表1所示。對比發(fā)現(xiàn)，在平均海拔基本相當的前提下，有樹林機位的機艙平均風速要比無樹林機位低0.12m/s，實發(fā)小時數約200h，而各種風電場模擬軟件均未能反映出這一趨勢。同時，樹林對發(fā)電小時數的影響效果要比對平均風速的影響大，這說明低風速風電場中的植被不但影響了平均風速，而且使得風頻、風向、風切變等參數朝著不利于發(fā)電的方向發(fā)展。分別對比不同海拔、兩種地貌下機位的平均發(fā)電小時數，如圖3所示。可見，幾乎在所有海拔下，有樹林機位的發(fā)電小時數都要比無樹林機位低。

圖1 交底小時數和實發(fā)小時數隨相對海拔高度變化曲線圖

圖2 實發(fā)小時數與海拔相關關系圖

表1 有樹林和無樹林地貌下風速、發(fā)電量統(tǒng)計

圖3 不同海拔下兩種地貌機位小時數對比圖

圖4 1號風電機組在不同風切變下風電機組功率曲線圖

2.4 風切變對功率曲線的影響

選取2012年3月1日—6月30日1號風電機組SCADA功率和對應同時段生產測風塔10m～80m風切變數據，做出不同風切變下功率曲線圖。如圖4所示，在大部分風速段,功率曲線隨風切變增大而降低，在風速接近額定風速左右情況正好相反。風切變值的大小和地面粗糙度、大氣穩(wěn)定度等有較大關系。一般來說粗糙度越大，風切變越大，越不利于風電機組發(fā)電，這一結論和前文地面粗糙度對風電機組發(fā)電能力有較大影響的結論相吻合。

2.5 湍流強度對功率曲線的影響

為探索湍流強度對功率曲線的影響，本文選取2012年3月1日－2012年6月30日，1號#風電機組SCADA功率和對應同時段生產測風塔80m高度湍流強度值，做出不同湍流下功率曲線圖。如圖5所示，風速在8m/s以下，功率曲線隨湍流強度增大而增大。風速大于8m/s以上時，情況正好相反。湍流強度的大小和地面粗糙度、大氣穩(wěn)定性和障礙物等有較大關系。就低風速風電場來說，低風速段風能所占比例較大，故湍流強度越大越有利于風電機組發(fā)電。這和A公司提供的理論狀態(tài)下不同湍流強度對應的功率曲線結論相吻合。

3 總結

高風速地區(qū)建設風電場受到資源、規(guī)模等限制，在不少省（市、自治區(qū)）不同程度出現(xiàn)了風電送出和運行限電的情況[6]。而低風速區(qū)域可開發(fā)面積大，靠近負荷中心，完全被電網吸納等優(yōu)點會成為未來風力發(fā)電的一個趨勢。

圖5 風電機組在不同湍流強度下風電機組功率曲線圖

本文針對國內首個低風速風電場—來安風電場，從風電場的相對海拔高度對發(fā)電量影響、森林（粗糙度）對發(fā)電量的影響、風切變和湍流強度對功率曲線的影響等四個方面進行分析，總結了運行規(guī)律和特點，為今后低風速風電場建設提供了參考經驗。

攝影：陳偉榮

[1]Gadian,A.;Dewsbury,J.Directional persistence of low wind speed observations.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2004,92(12):1061—1074.

[2] 張志英, 趙萍, 李銀鳳, 劉萬琨.風能與風力發(fā)電技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2010.

[3] 蒯狄正,李群, 江林.低風速風力發(fā)電技術研究[J] 2009, 11(28): 4-10.

[4] 王清,許斌.安徽省風力電場規(guī)劃[J].電力經濟技術,2006,12 (6): 48-50.

[5] 吳功高,葉中雄,姚明等.安徽電網接納風電能力的分析研究[J].華東電力,2011, 39(6):997-999.

[6] 秦海巖.現(xiàn)階段我國風電行業(yè)面臨的主要問題綜述[J].風能,2012(12): 58-61.