山地風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔選址研究

文 | 楊濟(jì)暢，包振海，余美辰

風(fēng)電場(chǎng)設(shè)立測(cè)風(fēng)塔的目的是為了能夠準(zhǔn)確反映將來(lái)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的資源情況，為風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)資源評(píng)估、微觀選址提供數(shù)據(jù)支持。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)10%的誤差可能導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)年產(chǎn)能30%左右的誤差，而因?yàn)轱L(fēng)資源數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致湍流、極大風(fēng)速等判斷失誤，甚至?xí)母旧嫌绊懸恍C(jī)位的載荷計(jì)算與判定，為后續(xù)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行埋下了極大的隱患。

目前主要的測(cè)風(fēng)塔選址方法是利用一些現(xiàn)有的中大尺度數(shù)據(jù)平臺(tái)（例如3TIER，遠(yuǎn)景能源的格林威治云平臺(tái)）進(jìn)行資源的初步分析并布置風(fēng)電機(jī)組，在此基礎(chǔ)上根據(jù)資源情況結(jié)合機(jī)位對(duì)測(cè)風(fēng)塔位置進(jìn)行預(yù)判。但是隨著目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電開發(fā)區(qū)域已經(jīng)逐步向著年平均風(fēng)速5.5m/s甚至5m/s的區(qū)域轉(zhuǎn)移，年滿發(fā)等效小時(shí)數(shù)也逐步向著2000h甚至1800h邁進(jìn)。這些區(qū)域?qū)︼L(fēng)資源評(píng)估的準(zhǔn)確性提出了更高的要求，一旦評(píng)估出現(xiàn)誤差，就可能導(dǎo)致項(xiàng)目投產(chǎn)后出現(xiàn)虧損。而針對(duì)這些低風(fēng)速項(xiàng)目，以往的方法都存在精度不足的問題，容易導(dǎo)致測(cè)風(fēng)塔位置、數(shù)量、高度等不夠合理，放大后續(xù)風(fēng)資源評(píng)估及微觀選址等的不確定性，而且一旦測(cè)風(fēng)結(jié)果不理想，放棄項(xiàng)目也容易造成浪費(fèi)。因此必須尋求新的測(cè)風(fēng)塔選址方法，使得測(cè)風(fēng)塔選址更加標(biāo)準(zhǔn)化和精確化，測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)于后期風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位更具代表性。

此外，風(fēng)電場(chǎng)在建設(shè)完成后，場(chǎng)區(qū)內(nèi)的測(cè)風(fēng)塔會(huì)受到風(fēng)電機(jī)組尾流的影響，測(cè)得數(shù)據(jù)已經(jīng)無(wú)法代表風(fēng)電場(chǎng)真實(shí)風(fēng)資源狀況，很難滿足風(fēng)功率預(yù)測(cè)的需要，而重新立塔必然會(huì)造成一定的資金浪費(fèi)。因此在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，運(yùn)用目前最常用WT資源評(píng)估軟件，結(jié)合精度較高的中尺度數(shù)值模式，找到一種精度較高、較為合理且易于實(shí)施，能同時(shí)滿足前期風(fēng)資源評(píng)估和后期短期、超短期功率預(yù)報(bào)的測(cè)風(fēng)塔位置判定方法是目前研究的主要方向。

基于流場(chǎng)模擬的測(cè)風(fēng)塔位置初判

隨著流場(chǎng)模擬技術(shù)（CFD）的逐步成熟和在風(fēng)電領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，借助流場(chǎng)模擬技術(shù)進(jìn)行測(cè)風(fēng)塔選址已經(jīng)變得完全可行，進(jìn)行流場(chǎng)模擬的前提是進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖1），即將整個(gè)項(xiàng)目區(qū)域及周邊劃分為多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)在水平及垂直上劃分為數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的三維網(wǎng)格，在現(xiàn)有技術(shù)條件并保證計(jì)算速度的前提下，最小的網(wǎng)格分辨率可達(dá)水平10m，垂直3m，保證分析結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映局部地形、地貌的變化對(duì)微觀流場(chǎng)產(chǎn)生的影響。利用軟件逐網(wǎng)格求解NS方程，準(zhǔn)確模擬地形起伏變化及地表粗糙度對(duì)風(fēng)流的影響，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目區(qū)域的流場(chǎng)分析。

在最終完成項(xiàng)目區(qū)域流場(chǎng)模擬后，即可進(jìn)行測(cè)風(fēng)塔位置初選。影響風(fēng)況的風(fēng)流參數(shù)主要有風(fēng)加速因數(shù)、湍流強(qiáng)度、水平偏差和入流角。測(cè)風(fēng)塔位置應(yīng)滿足如下條件：

圖1 多重網(wǎng)格求解及流場(chǎng)模擬示意圖

（1）所選區(qū)域風(fēng)加速因素處于風(fēng)電場(chǎng)整體平均水平。

（2）所選區(qū)域湍流強(qiáng)度最小。

（3）所選區(qū)域水平偏差值絕對(duì)值最小。

（4）所選區(qū)域入流角絕對(duì)值最小。

以上條件與進(jìn)行常規(guī)測(cè)風(fēng)塔選址時(shí)的要求是相通的，測(cè)風(fēng)塔選址時(shí)要求測(cè)風(fēng)塔附近無(wú)明顯障礙物遮擋、避免受氣流畸變影響，反映在CFD分析圖譜中即是要求選擇湍流強(qiáng)度最小、水平偏差及入流角絕對(duì)值最小的區(qū)域。

示例項(xiàng)目初判結(jié)果

此次預(yù)開發(fā)項(xiàng)目位于東北某省市，開發(fā)容量49.5MW。該項(xiàng)目區(qū)域地形條件較為復(fù)雜，場(chǎng)址規(guī)劃范圍為一條高低起伏的山脊，山體最大落差約300m左右（圖2）。

借助Meteodyn WT和項(xiàng)目區(qū)域地形圖、粗糙度圖對(duì)該區(qū)域進(jìn)行流場(chǎng)分析，最終獲得相關(guān)分析圖譜。然后根據(jù)圖譜及上述初選基本原則，即可初步確定測(cè)風(fēng)塔位置。例如根據(jù)湍流強(qiáng)度圖譜，初步確定的測(cè)風(fēng)塔可安裝位置如圖3所示，圖中白色圓圈標(biāo)出的紫色最深區(qū)域即為整個(gè)項(xiàng)目區(qū)中湍流強(qiáng)度最小的區(qū)域。再根據(jù)風(fēng)加速因數(shù)、入流角等約束條件，最終選出的重疊位置即為測(cè)風(fēng)塔初選位置（如圖4中白色多邊形所示）。

中尺度模式在測(cè)風(fēng)塔選址中的應(yīng)用

在利用CFD流場(chǎng)模擬技術(shù)初步確定測(cè)風(fēng)塔備選區(qū)域后，并不能確定測(cè)風(fēng)塔的準(zhǔn)確位置，必須結(jié)合中尺度數(shù)值模擬進(jìn)行微觀選址，利用風(fēng)資源圖譜確定所有風(fēng)電機(jī)組最優(yōu)點(diǎn)位，根據(jù)點(diǎn)位及測(cè)風(fēng)塔代表范圍，確定測(cè)風(fēng)塔具體位置。

圖2 項(xiàng)目區(qū)域衛(wèi)星圖

圖3 湍流強(qiáng)度分布圖

圖4 測(cè)風(fēng)塔初選位置

隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的不斷提升，在復(fù)雜地形條件下進(jìn)行精確的中尺度氣象數(shù)值模擬已經(jīng)變得十分快捷，而經(jīng)模擬得到的數(shù)據(jù)分辨率甚至可以達(dá)到1km×1km。以目前國(guó)內(nèi)技術(shù)水平，可以將同位置中尺度模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均誤差縮小到7%以內(nèi)，再利用“降尺度”手段，實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際地形的嵌套，提高風(fēng)資源圖譜空間分辨率，即可以滿足風(fēng)電場(chǎng)初步風(fēng)資源評(píng)估的需求（圖5、圖6）。在擬開發(fā)項(xiàng)目區(qū)無(wú)測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，中尺度氣象數(shù)值模擬可以快速準(zhǔn)確地判斷項(xiàng)目的整體風(fēng)資源狀況，能夠作為項(xiàng)目是否開發(fā)立項(xiàng)、是否立塔的重要決策依據(jù)。

結(jié)合微觀選址的測(cè)風(fēng)塔位置復(fù)選

根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃容量進(jìn)行初步的微觀選址，因不確定未來(lái)風(fēng)電場(chǎng)選用機(jī)型功率大小，故進(jìn)行微觀選址時(shí)應(yīng)選擇適合當(dāng)?shù)刂谐叨葦?shù)值模擬結(jié)果及氣象數(shù)據(jù)所展現(xiàn)的風(fēng)況和氣候狀況且功率較小的風(fēng)電機(jī)組。例如一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃容量49.5MW，目前國(guó)內(nèi)主流風(fēng)電機(jī)組中功率最小的風(fēng)電機(jī)組一般為1.5MW，故應(yīng)選擇布置至少35臺(tái)1.5MW的風(fēng)電機(jī)組（一般選取數(shù)臺(tái)風(fēng)電機(jī)組作為測(cè)風(fēng)塔備選位置）進(jìn)行微觀選址，確保測(cè)風(fēng)塔最終能夠代表該區(qū)域內(nèi)所布置的絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)位處風(fēng)況。

在完成微觀選址后，即可根據(jù)測(cè)風(fēng)塔在不同地形、粗糙度下的代表性范圍，將合適的風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位替換為測(cè)風(fēng)塔點(diǎn)位。這樣一來(lái)，不但可以保證測(cè)風(fēng)塔受氣流畸變等不利因素的影響較小，而且在未來(lái)進(jìn)行微觀選址設(shè)計(jì)時(shí)，測(cè)風(fēng)塔的代表性范圍及數(shù)量能夠真正覆蓋絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組。

為保證風(fēng)電機(jī)組布置與最終風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生太大差別，機(jī)組選型及布置應(yīng)遵循相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范，例如風(fēng)電機(jī)組應(yīng)滿足安全等級(jí)要求，機(jī)組排布應(yīng)選擇風(fēng)資源分布較好的區(qū)域進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組排布，兼顧風(fēng)電機(jī)組運(yùn)輸?shù)跹b的難易程度等。

測(cè)風(fēng)塔立塔方案比選與確定

依然以上述項(xiàng)目為例，此次選用某廠家的WTG82-1500型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，共布置有35臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，考慮到項(xiàng)目地形及風(fēng)電機(jī)組位置，可將圖4三處白圈內(nèi)的兩臺(tái)風(fēng)電機(jī)組機(jī)位替換為測(cè)風(fēng)塔位置。根據(jù)表1中提到的測(cè)風(fēng)塔代表性范圍，并結(jié)合實(shí)際地形分析，該項(xiàng)目測(cè)風(fēng)塔最大代表半徑不應(yīng)超過(guò)3.5km，最終兩個(gè)測(cè)風(fēng)塔應(yīng)該能夠代表整個(gè)項(xiàng)目區(qū)域的各風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位處的風(fēng)況。

選擇圖4上部白圈中的T1及中部白圈中的T16機(jī)位作為測(cè)風(fēng)塔位置，根據(jù)代表性半徑，最終代表范圍如圖7所示。

由圖7可以看出T1及T16兩處機(jī)位作為測(cè)風(fēng)塔位置雖然可以滿足整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的代表性要求，但是風(fēng)電場(chǎng)最下方10多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組處于代表性半徑的黃色圓圈邊緣地帶，而處于該黃色圓圈中心地帶的風(fēng)電機(jī)組僅有5臺(tái)（圖7中綠色方框內(nèi)），且兩個(gè)測(cè)風(fēng)塔代表性范圍還有重疊部分，故該方案并非最優(yōu)。

圖5 中尺度數(shù)據(jù)模擬流程圖

圖6 降尺度計(jì)算示意圖

表1 不同地形下測(cè)風(fēng)塔的代表性范圍參考半徑

選擇圖4上部白圈中的T1風(fēng)電機(jī)組與最下部白圈中的T3風(fēng)電機(jī)組作為測(cè)風(fēng)塔位置，根據(jù)代表性半徑，最終代表范圍如圖8所示。

可以看出以T1及T3機(jī)位作為測(cè)風(fēng)塔位置時(shí)，測(cè)風(fēng)塔代表性范圍依然能夠覆蓋全部風(fēng)電機(jī)組機(jī)位，僅有兩臺(tái)風(fēng)電機(jī)組（圖8綠色方框內(nèi)）處于T3位置測(cè)風(fēng)塔代表性邊緣地帶，但是風(fēng)電場(chǎng)最南方的十余臺(tái)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)況代表性可以達(dá)到最優(yōu)。故初步確定T1及T3機(jī)位作為測(cè)風(fēng)塔位置。

針對(duì)風(fēng)功率預(yù)測(cè)的測(cè)風(fēng)塔最終定位

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)流參數(shù)定向計(jì)算選出的測(cè)風(fēng)塔位置，可用于前期的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)積累，用于風(fēng)資源評(píng)估。但是一旦項(xiàng)目開工建設(shè)，風(fēng)電機(jī)組吊裝后，由于尾流、湍流的影響，原有的測(cè)風(fēng)塔不一定適用于進(jìn)行短期、超短期風(fēng)功率預(yù)測(cè)，但是重新立塔不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)也造成了資源的浪費(fèi)。因此，應(yīng)該在測(cè)風(fēng)塔位置復(fù)選的基礎(chǔ)上，對(duì)暫定替換為測(cè)風(fēng)塔的機(jī)位進(jìn)行再次分析，爭(zhēng)取選出既能夠滿足前期評(píng)估，又可以滿足后期功率預(yù)測(cè)的測(cè)風(fēng)塔點(diǎn)位。

為了滿足風(fēng)功率預(yù)測(cè)的需要，要求測(cè)風(fēng)塔位置在能夠代表場(chǎng)區(qū)風(fēng)資源狀況的基礎(chǔ)上，盡量消除尾流、湍流的影響，同時(shí)在一些主要的迎風(fēng)方向上，風(fēng)加速因數(shù)應(yīng)該接近風(fēng)電場(chǎng)平均值。一般情況下，完全沒有尾流影響的測(cè)風(fēng)塔位置是不存在的，因?yàn)槟菢泳蜁?huì)失去對(duì)布機(jī)區(qū)域風(fēng)況的代表性。借助于流場(chǎng)模擬，可以對(duì)完成布機(jī)后的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行定性分析，獲得每一個(gè)機(jī)位處的風(fēng)流參數(shù)，即可判斷機(jī)位對(duì)于風(fēng)功率預(yù)測(cè)的適用性。

圖7 測(cè)風(fēng)塔代表性示意圖（代表半徑3.5km）

圖8 測(cè)風(fēng)塔代表性示意圖（代表半徑3.5km）

示例項(xiàng)目測(cè)風(fēng)塔的最終定位

根據(jù)前期中尺度數(shù)值模擬分析（圖9），發(fā)現(xiàn)該風(fēng)電場(chǎng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，該方向風(fēng)向頻率高達(dá)48.21%，因此測(cè)風(fēng)塔位置在主導(dǎo)風(fēng)向上應(yīng)該無(wú)風(fēng)電機(jī)組遮擋，且風(fēng)加速因數(shù)應(yīng)該適中。

對(duì)T1及T3周邊機(jī)位進(jìn)行分析，如表2及表3所示。從表2可以看出，T32機(jī)位處尾流影響最小，但是風(fēng)電機(jī)組高程、平均風(fēng)速明顯低于平均水平，且湍流、入流角過(guò)大，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)整體風(fēng)況代表性不足。相比而言T1機(jī)位處尾流的影響相對(duì)較小，且高程、平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、入流角、盛行風(fēng)向風(fēng)加速因數(shù)等值均更接近風(fēng)電場(chǎng)平均狀況。綜上所述，T1機(jī)位既可作為資源評(píng)估的測(cè)風(fēng)塔位置，也可作為后期風(fēng)功率預(yù)測(cè)的測(cè)風(fēng)塔位置。

從表3可以看出，受尾流影響最小的為T4機(jī)位，尾流折減率只有1.8%。雖然T23與T35機(jī)位高程、平均風(fēng)速更接近平均值，但是湍流、尾流影響相對(duì)較大。T18、T21機(jī)位處海拔高程、平均風(fēng)速及盛行風(fēng)向風(fēng)加速因數(shù)過(guò)大，T3、T4和T9機(jī)位各參數(shù)接近，故選擇湍流最小、尾流影響最小的T4機(jī)位，替換T3機(jī)位，作為最終的測(cè)風(fēng)塔位置。

圖9 中尺度數(shù)據(jù)風(fēng)向玫瑰圖

表2 T1風(fēng)電機(jī)組周邊機(jī)位分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表3 T3風(fēng)電機(jī)組周邊機(jī)位分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖10 最終的測(cè)風(fēng)塔位置及代表范圍

最終T1位置不變，T3位置替換為T4，即可得到最終的測(cè)風(fēng)塔位置（圖10），用以同時(shí)滿足前期評(píng)估及后期風(fēng)功率預(yù)測(cè)的需求，風(fēng)電機(jī)組尾流對(duì)測(cè)風(fēng)塔剩余的尾流影響已經(jīng)比較微弱，后期可以通過(guò)修正風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算邏輯來(lái)進(jìn)行修正。由于地形圖、粗糙度圖的精度影響，所獲得的測(cè)風(fēng)塔點(diǎn)位還應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，必要時(shí)進(jìn)行微調(diào)。

結(jié)論

本文提出了一種新的測(cè)風(fēng)塔選址手段，通過(guò)流場(chǎng)模擬將以往復(fù)雜的測(cè)風(fēng)塔選址經(jīng)驗(yàn)或原則轉(zhuǎn)化為更為容易尋找和判定的風(fēng)流氣象參數(shù)，最終成功通過(guò)量化的參數(shù)找到適合測(cè)風(fēng)塔布置的最佳區(qū)域，從根本上避免因?yàn)闇y(cè)風(fēng)塔位置選擇不合理而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)收集質(zhì)量差，甚至產(chǎn)生畸變的問題。隨后再通過(guò)貼合實(shí)際的微觀選址來(lái)判定測(cè)風(fēng)塔代表性好壞，保證求得的測(cè)風(fēng)塔位置及數(shù)量能夠滿足后期絕大多數(shù)機(jī)位的評(píng)估需求。最終通過(guò)分析各機(jī)位風(fēng)流參數(shù)并局部微調(diào)選擇出既可以用于前期風(fēng)資源評(píng)估，又可以用于后期風(fēng)功率預(yù)測(cè)的測(cè)風(fēng)塔位置。

攝影：邱岳東