分散式風電風能資源評估技術

文 | 王海斌

分散式風電接入條件及應用場景

國家能源局發布的國能發新能〔2018〕30號文件規定，分散式風電項目是指所產生電力可自用，也可上網且在配電系統平衡調節的風電項目。

一、項目建設應滿足的技術要求

（1）接入電壓等級應為110千伏及以下，并在110千伏及以下電壓等級內消納，不向110千伏的上一級電壓等級電網反送電。

（2）35千伏及以下電壓等級接入的分散式風電項目，應充分利用電網現有變電站和配電系統設施，優先以T或者π接的方式接入電網。

（3）110千伏（東北地區66千伏）電壓等級接入的分散式風電項目只能有1個并網點，且總容量不應超過50兆瓦。

（4）在一個并網點接入的風電容量上限以不影響電網安全運行為前提，統籌考慮各電壓等級的接入總容量。

政策將接入條件放寬至110千伏，項目容量和消納空間更大，分散式風電市場會得到進一步擴張。采用項目核準承諾制，優先獲得補貼，鼓勵市場化投資，充分釋放支持分散式風電項目開發的政策紅利，引入多元化主體加入分散式風電項目投資，保障分散式風電項目落地。鼓勵同一縣域內的項目打捆開展前期工作，分散式風電項目批量化或區域性招標將成為主流。

二、分散式風電項目應用場景與定價機制

分散式風電項目一般位于用戶負荷中心（變電站）附近，可以就近多點接入，實現就近消納、統一監控。

應用場景一：經濟發達的中東部和南方是開發分散式風電的理想區域，打捆申報、建設、運維幾萬千瓦的分散式風電項目，經過開關站匯集后接入就近的變電站，一般電壓等級涉及10/35千伏（110千伏電壓等級接入項目禁止向上一電壓等級反送；關于10/35千伏電壓等級反送規則，可咨詢當地電網公司）。核準時采用全額上網模式，上網電量由電網企業按照當地風電標桿上網電價收購。對于110千伏（東北地區66千伏）電壓等級接入的分散式風電項目，接入系統設計和管理按照集中式風電場執行。中廣核蘭考分散式風電項目采用5臺GW121/2.0機組，機組匯集后通過開關站接入變電站，是該應用場景的典型代表。

應用場景二：也被稱為分布式風電，各類高耗能的工業園區、工廠等是其理想用戶。另外，可與多能互補、智能微電網、鄉村風電等融合，拓寬發展空間。通常利用自有土地，安裝幾臺機組直接接入用戶配電室。核準時選擇“自發自用、余電上網”模式。自發自用部分電量可參與市場化交易，不享受國家可再生能源發展基金補貼，上網電量由電網企業按照當地風電標桿上網電價收購。在該種商業模式下，需要對用戶抗風險能力及負荷消納能力進行謹慎評估，防止出現電費結算不及時或限電風險。金風科技園區分散式風電、江蘇大豐分布式風電機組是該種模式的最早實踐和典型應用。

分散式風電風能資源評估關鍵技術

由于分散式風電項目的單體容量相對較小，風能資源評估是否準確對項目經濟性的影響更為明顯。評估資源的最好方法是在場區內樹立測風塔，采用滿一年的測風塔數據對資源進行準確評估。但是在很多分散式風電項目開發中，缺少測風塔測風的過程。面對這種情景，如何降低風能資源評估的不確定性？本文主要從氣象數據獲取、地形信息數據獲取、流場的仿真模擬等三方面闡述分散式風電中的風能資源評估技術。

一、氣象數據獲取

1.風電大數據技術

通過對分散式風電項目進行定位，利用風電大數據平臺自動匹配附近20千米以內已建成的風電場或者是周邊以往的測風數據，對分散式風電項目的資源進行準確評估。

每一臺風電機組就是一座測風塔。經過數十年的發展，全國范圍內已經有大約8萬臺機組正在運行中，通過機艙傳遞函數，將SCADA記錄的風速數據還原到葉片前的自由流風速；通過風角、偏航角等參數還原機組位置處的風向；通過SCADA記錄的秒級數據，對場區的湍流進行數學統計計算。利用運行機組數據有效、準確地評估分散式風電項目場區內風況，也是在場區內無塔情況下最好的資源評估辦法。

2.虛擬測風塔技術

虛擬測風塔技術是指，將風電行業的兩大數據——測風塔觀測數據和中尺度數據進行融合，根據不同的地形條件及項目特點使用不同的后處理方式，在230多萬種排列組合的結果中比選更優的方案結果，結合人工智能方法進行后處理，輸出完整年風速數據，提升中尺度風速模擬精度。現有的虛擬測風技術以金風科技的GOLDWRF技術為主要代表，通過大量數據驗證GOLDWRF輸出的虛擬測風塔數據，在平原地形下風速誤差約在0.1～0.3米/秒；對于復雜的山地地形，風速誤差約在0.3～0.5米/秒。在項目的前期規劃階段，通過虛擬測風塔技術可以為分散式風電項目的資源評估提供相對準確的風能資源數據，避免出現“盲人摸象”的情況。

圖1 風電場分布（左圖）和測風塔分布（右圖）

3.激光雷達補測技術

激光雷達具有體積小、觀測域廣、便于移動的特點，借助激光雷達對分散式風電項目進行至少3個月的風速、湍流、切變觀測，進一步獲取項目風能資源參數，保證機組的安全性，降低投資的不確定性。通過激光雷達觀測的風速數據，可用于分析選用項目風區發電量最優的機型；通過激光雷達觀測的湍流數據，可用于分析選用適應場區湍流風況安全的機型；通過激光雷達觀測的切變數據，可用于分析選用更適合場區經濟性的輪轂塔架高度機組。激光雷達補測技術為分散式風電項目資源評估中不可缺少的手段，能夠直接有效地保障機組的安全性。

二、地形信息數據獲取

1.無人機三維建模技術

所見即所得。無人機三維建模技術是分散式風電項目地形數據獲取的新途徑，它基于空中航空攝影測量原理，利用高清影像和相應的位置姿態數據，經過空中三角測量和構建模型等過程生成覆蓋區域的三維實景模型，生成不同分辨率/覆蓋面積的三維實景模型，模型分辨率可高達厘米級，地物清晰可見。具有低成本、方便快捷、靈活機動、高效率、高分辨率等特點。憑借自身的技術優勢，可快速、高效獲取高分辨率的影像數據，無人機三維建模技術成為傳統航空攝影測量的有效補充手段。

將無人機采集回來的數據進行三維建模，生成超高厘米級分辨率的物理三維模型，通過結合VR、AR技術，還原現實分散式風電真實場景。通過對分散式風電項目進行三維建模，不但可以減少時間經濟成本，更能直觀了解項目現場情況，為項目設計提供地形信息數據。

2.地物識別技術

圖2 虛擬測風塔技術

圖3 無人機測繪流程圖

圖4 無人機三維建模技術

分散式風電項目大多位于居民較多的平原地形，涉及的基本農田、居民、森林等限制因素較多，如果到現場逐一排除，會耗費大量的人力、物力。通過地物識別技術可快速準確地劃分分散式風電項目的限制性區域，以典型高分辨率遙感影像目標機器樣本庫與特征庫建設為基礎，面向道路、房屋、水域等敏感區的檢測與識別，其識別準確率高達85%左右，節省60%左右的時間。

三、流場的仿真模擬

分散式風電有兩種應用場景：第一種場景——全額上網的分散式風電項目大多位于常規的平原、山地、戈壁、丘陵等地區。該類型分散式風電項目的資源流場仿真與集中式風電相同，使用WT、WindSim等CFD仿真軟件即可滿足擬評估；第二種場景——“自發自用，余電上網”的分散式風電項目大多位于園區。園區型分散式風電項目的最大特點就是園區內的建筑、障礙物較多，該種特殊下墊面環境給資源的流場仿真模型帶來新的挑戰。

高精度仿真技術采用非結構化網格對園區型分散式風電項目進行3D建模，輸入氣象數據，實現可高達0.5米×0.5米×0.5米級精度的流場仿真，進而模擬出建筑樓宇之間的湍流、能量等資源參數，為園區型分散式風電項目的機組排布提供數據支持，保障機組的安全性和經濟性。

圖5 地物識別圖

圖6 園區型分散式風電項目湍流模擬圖

圖7 園區型分散式風電項目發電量模擬圖

總結

隨著政策在全國的落地，分散式風電將進入快速發展期，并帶動風電行業裝機量持續快速增長，資源評估的重要性將得到進一步凸顯。在開發分散式風電項目中，優先推薦運用測風塔對場區進行測風、準確的資源評估。在無測風塔的項目中，首先，通過風電大數據技術、虛擬測風塔技術、激光雷達補測技術獲取項目的氣象數據；再通過無人機三維建模技術、地物識別技術獲取地理信息數據；最后，通過高精度仿真技術來模擬項目的資源分布，保證項目設計的經濟性和安全性。數字化、大數據技術的進步為分散式風電項目的發展保駕護航。