河南S低風速風電場微觀選址研究

舒永富（河南理工大學，河南　焦作　454000）

河南S低風速風電場微觀選址研究

舒永富
（河南理工大學，河南焦作454000）

根據國家發展和改革委員會規定，河南省區域屬四類風能資源區域，風能源資源較三北、沿海地區有一定差距，但極端大風天氣較少，適合大葉片機組的運行。河南省已建、在建風電場工程均屬于山地風場，地形復雜，在既定資源條件下，項目單位推崇盡量利用大葉片風機，并結合地形、地貌特點，進行機位布置，但由于布機位置有限，受風機尾流影響大葉片機組不能整裝風電場，在追求效益最大化的指導目標下，進行115型號機組與105型號機組混裝。本文旨在對3種微觀選址方案進行分析比選，并確定能取得最大收益布機方案。

風電場；微觀選址；尾流；風力發電機組

1　引言

本文為對《河南省S風電場風電場可行性研究報告》風機布置方案進行微觀選址復核計算。

本文采用的原始測風數據及地形圖由項目單位提供，本文主要工作內容是：

（1）對風電場測風數據的完整性、合理性進行復核，修正整編完整的測風數據，并進行發電量復核計算分析。

（2）對風機布置及微觀選址方案進行優化。

2　風電場風能資源評價

2.1風電場測風概況

河南省S風電工程場址內布設了兩座測風塔，測風塔編號為0001#、0002#，0001#測風塔測風高度為70m，0002#測風塔測風高度為40m。設備均為美國賽風公司產品，測風設備使用前經過北京氣象局標定，儀器安裝時嚴格按照測試參數進行設置。

2.2測風數據驗證及處理

2.2.1完整性檢驗

《風電場風能資源測量方法》（GB/T 18709-2002）標準中要求現場連續測風的時間不應少于一年。通過對0001#、0002#測風塔的原始測風數據進行統計分析。0001#和0002#兩測風塔在測風時段（2010.11.1～2011.10.31）內原始測風數據完整率均相對較好，兩測風塔數據原始測風數據完整率分別為95%和93.8%。測風塔缺測數據產生原因主要是由于2009年2月份測風塔遭雷擊導致測風設備故障。

擬采用0001#測風塔測風數據進行發電量計算。分析建立0001#測風塔與0002#測風塔之間的風速相關關系，然后根據相關關系對缺測數據進行相關分析彌補；其次根據0001#測風塔自身不同高度之間的風速相關關系，對其它高度層的缺測數據進行相關分析進行彌補。

2.2.2不合理數據處理及有效數據完整率

對風電場原始數據，進行完整性和合理性分析后，檢驗出缺測數據與不合理數據，經過相應處理，整理出一套連續完整的風場測風數據：

（1）對不合理數據再次分析，找出符合實際情況的有效數據，回歸原始數據組。

（2）不合理風速數據：優先使用同塔分層數據相關關系進行插補；在各高度風速同時發生缺測時，選用氣象站測風同期的有效數據利用相關方程對缺測數據進行插補；

（3）不合理風向數據：對同一測風塔不同高度風向數據進行對比分析的基礎上，對不合理風向數據以同一測風塔其它高度或其它測風塔的合理風向數據進行替換。

根據《風電場風能資源評估方法》（GB/T18710-2002）標準的相應要求，風電場測風有效數據完整率按下式計算：有效數據完整率=（應測數目-缺測數目-無效數據數目）/應測數目×100%。其中，應測數目表示測量期間的小時數；缺測數目表示沒有記錄到的小時平均值數目，無效數據數目表示確認為不合理的小時平均值數目。依據上述修正原則，對各測風塔的無效數據做相關修正后，將其無效數據轉換成有效數據，修正后的測風塔有效數據完整率達到100%。

2.2.3相關性分析

（1）0001#測風塔各層風速相關關系。0001#測風塔不同高度測風數據的相關性（R）值均在0.90以上，各層間高度差越大，相關系數越小，高度越高相鄰層之間相關系數越大。

（2）0001#塔70m高度風速與0002#各測風高度風速相關關系。根據0001#測風塔70m高度層在2010年11月7日～2011年10月31日接近一個完整年期間的測風數據，與0002#同期各高度逐時風速進行相關性分析發現001#測風塔70m高度的觀測風速與0002#測風塔40m高度的同期觀測風速總體相關系數為0.9028，相關關系較好。

2.3風切變指數

風切變指數代表近地面風速隨高度變化的一個指標，風速隨高度變化服從普朗特經驗公式，由于地表粗糙度的不同，風速隨高度的變化也不同，利用冪次律的風廓線公式，可求得不同高度的風切變指數。

式中，Vn、Vi分別為高度Zn、Zi處的風速，α為風切變指數，其值與地面粗糙度有關。風切變指數越大，表示風速隨高度增加越快，增加塔架高度所獲得的能量增量越多，采用高塔架越有利。反之，則不需使用過高塔架。

根據測風塔在2009年7月1日～2010年6月30日期間的測風數據，統計各測風高度層的年平均風速及風切變指數，其中70/50m高度風切變指數為0.098、70/30m高度風切變指數為0.106。再利用冪指數函數對測風塔風速隨高度變化的規律進行擬合。

從各高度風切變指數變化情況看，0001#測風塔風速隨高度的增加而增加，其中，70/30實測風速風切變指數最大，為0.106，30/10實測風切變指數最小，為0.070，冪指數擬合的風切變指數為0.085。本項目預選輪轂高度為80m，對于山地地形，風速隨高度的變化規律性不強，70/50實測風切變指數為0.098，略微偏大。為保守起見，后文在不同輪轂高度處風速推算時均按0.085進行計算。

2.4空氣密度

空氣密度取決于風電場當地溫度和氣壓。

ρ=（353.05/T）exp[-0.034（Z/T）]

式中：

ρ為平均空氣密度（kg/m3）；

Z為風場海拔高度（m）；

T為風電場多年空氣開氏溫標絕對溫度（℃+273）。

9217#測風塔實測年平均溫度為14.2℃，年平均大氣壓為95.22kPa，計算得到測風塔海拔處空氣密度為1.152kg/m3。

表1　方案一發電量計算詳值

3　風電場發電量復核計算

3.1計算條件、方法及步驟

3.1.1計算前提

（1）風資源數據采用。各方案均采用0001#測風塔在2009年11月～2010年10月一個完整年期間的風資源數據作為代表年進行分析。

（2）風電機組機型。電場共設計安裝25臺單機容量為2.0MW的風力發電機組總裝機容量為50MW。采用標準空氣密度下的功率曲線，輪轂高度80m考慮。

（3）風電場空氣密度為1.152kg/m3。

（4）由于風電場場址地表植被稀少、多農田，根據地形地貌，地表粗糙度取0.13～0.25。

（5）風機布置。機組以WN主導風能布置在區域內的山脊上。

3.1.2計算方法及步驟

根據其風能資源特點和場區地形條件，按照項目在選定的場區范圍和裝機規模要求，按尾流影響最小、主風能方向風機間距不小于5倍風機葉片直徑長度、垂直主風能方向風機間距不小于3倍風機葉片直徑長度、湍流強度小于0.2、入流角小于8°、年發電量最大為原則，利用WindFarmer軟件分別對各比選機型方案的風電機組進行優化布置后，再根據風電場地形條件、主風能方向，對部分機位進行了調整，采用MeteodynWT軟件對各機型方案風電機組理論發電量和尾流影響進行計算。

本次計算項目單位提供25個機位坐標及其發電量，風場選擇的代表機型為UP2000型風力發電機組。本次優化共進行四次計算，分別將其命名為方案一、方案二、方案三。三種方案具體情況見表1～表3。

（3）考慮空氣密度、控制和湍流、葉片污染、風機利用率、功率曲線保證率、氣候停機影響和廠用電和線損等因素進行折減修正，除尾流影響外，其它各影響總和均按相同折減系數（0.751）計算。

3.1.3計算成果

根據風電場風機輪轂高度處風能資源分布（圖3），考慮各種約束條件，采用MeteodynWT軟件進行計算。并采用WindFarmer軟件進行風機位置排布，根據現場情況做出三種布機方案。

3.2風電場年發電量計算及比較

本次計算除尾流影響外，其他影響產生的折算系數按原發電量計算表中的取值，即為75.1%。

通過詳細計算得出如下結論:根據項目單位提可布機位置，通過對布機機位及機型的調整后計算各方案的發電量及利用小時數可見：方案二的利用小時數為2032h，方案一的利用小時數較低為1904h，方案三的利用小時數為2148h，為上述方案中利用小時數最高。由于風場測風區域內可布機點較少，備用機位少，根據風場現場情況，綜合考慮各要素建議采用方案三，由9臺UP2000-105機型與16臺UP2000-115機型混裝，風場全年預計發電量為147104MWh，年上網電量107402MWh，年等效利用小時數為2148h。

表2　方案二發電量計算詳值

表3　方案三發電量計算詳值

結論

本文中方案三符合現場條件，為首選方案，采用9臺UP2000-105機型與16臺UP2000-115機型混裝，風場全年發電量為147104MWh，年上網電量107402MWh，年等效利用小時數為2148h，是以“最大限度利用風資源，風電場發電量最大”原則進行風機優化布置，未考慮場內道路建設、機電設備及安裝、基建費用、施工場地等因素的影響，具體技術經濟比較需進一步開展專題研究。

[1]張旭.郴州市TTS風電場項目建設可行性研究[D].2012.

[2]龐浩.復雜地形風電場分析及風場選擇[D].天津大學，2011.

[3]楊光.風電場可行性分析的關鍵技術與方法[D].華北電力大學，2013.

指導教師：河南理工大學，高國富。

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