考慮風向因素的微觀選址方法研究

文 | 李長亮

目前關于風電場設計，在宏觀選址并測風之后，就進入了微觀選址階段。當擬建風電場得到測風數據后，業主一般委托設計院評估當地風能情況以及風電場建設可行性。當風電場建設預言可行之后，業主會通過風電機組廠家進行機型選型和安全性復核，若是方案不存在問題，微觀選址過程就算完成了。微觀選址前期工作一般由設計院完成，后期帶方案的機型選型、安全性復核以及機位調整需求等由風電機組廠家提出。無論是微觀選址前期還是后期，對風資源的準確評估嚴重影響著后續風電場的設計。經驗表明：如果選址不當，兩臺相鄰 200m 的風電機組，其輸出功率可能相差 25%以上。這也是風電行業特別重視微觀選址的原因。

我國風電近些年進入了低速風電發展時代。現在更是有越來越多的風電場建設到了地形復雜的山地地帶。選擇復雜地形，考慮的是利用地形變化產生的地面效應，如風速較大的山頂、山口等位置。山地地形在為氣流加速的同時，也形成了很多復雜的現象，比如湍流更大，比如某些扇區風切變極其不規律等，這些都影響著風電機組運行的安全性。因此，山地地形需要考慮更多的因素，以保證風電場的安全運行。在現在的風資源評估中，成熟的設計都是考慮了入流角作為安全復核的一個因素，但是對于風電機組不同高度的風向扭轉因素卻沒有考慮，這個因素是現在設計忽略卻非常重要的因素，本文提出安全復核應該考慮這個因素，并通過一個實例進行了說明。

考慮扭轉效應的微觀選址方法

現在風電場的微觀選址部分，在選定風電機組機位后的選型和安全復核中，一般工作內容有：風資源處理、氣候極端條件查詢、50年一遇極大風速計算、數據長期訂正、發電量計算、湍流計算、尾流計算、入流角判斷、風電機組疲勞以及極限載荷復核等。在風電機組疲勞以及極限載荷復核中，考慮的有平均風切變、AK值、入流角、湍流、平均風速、50年一遇極大風速、密度等信息。從當前實際投標來看，幾乎各個廠家的考慮因素是一致的，這可能是使用相同的設計軟件或者設計方法導致的。當然各個廠家的結果也會存在不同，比如對于湍流的計算，使用不同的軟件得到的結果就不同。當然，也有的廠家走在科技的前沿，對一些問題進行深入研究，但是受限于各種因素，不可能在所有的投標項目中完全展現出來。以前風電建設都是選擇優質機位進行布機，而現在由于資源緊張，很多時候是能布機就布機，再加上山區地形復雜，如果考慮不周全，則會留下安全隱患。

在一些對氣流的解釋中，很多是把問題簡化為二維，然后去分析。而二維結果有可能會疏漏一些信息，有時這些信息又是非常重要的。比如獨立的山丘模型。若是直接簡化為二維去分析，得到的結果就是山頂風速最大。當然根據坡度不同，山丘前后會有不同的現象，這里不做過多討論。但是如果按照三維去分析，就會得到更多的信息。當氣流通過丘陵或山地時，由于受到地形阻礙的影響，在山的向風面下部，風速減弱，且有上升氣流；在山的頂部和兩側，風速加強。這比二維分析多出了山兩側的風速信息。在實際中，很少是獨立山丘這么簡單的地形，對于復雜山地，局部地形對風流的加速、對風向的偏轉是造成風電場微觀選址的難題所在。這些問題在當初只有WAsP等一維計算模型的時候，是無法準確解決的，只能結合分析結果，加上經驗分析以及理論分析。而現在發展的全三維的CFD模擬計算，則更加有效地解決這些問題。整個行業對于復雜問題的理解也是越來越深入。

本文通過大量的項目以及現在市場招投標過程，總結了現在微觀選址風電機組廠家復核階段主要流程和考慮因素，如圖1所示。

在現階段的計算和研究中，普遍沒有考慮風電機組不同高度上水平風向角度的偏差問題。氣流實際上是三維的，相對于風電機組葉片旋轉平面，氣流會有兩個偏差角，一個是入流角，這個角度是氣流與風電機組葉片旋轉平面的垂直風向的角度，這在現在工程中已經加入考慮，但也只是限于在計算的輪轂高度上的數值；另一個是水平方向的偏差，如圖2所示。簡化的動量定理理論分析，來流的總能量實際上是垂直于葉片平面的速度分量產生的能量。若是角度有偏差，實際上，相當于降低了來流的總能量，那么風電機組吸收的能量也隨之降低。不僅如此，上下氣流的不均勻也會給風電機組載荷帶來安全運行隱患。

在平原等簡單地形，由于風電機組運行在離地幾十米以上高空，理論上不太會出現這種隨高度不同風向扭轉劇烈的情況。但是現在的山地地形卻有出現這種情況的隱患。因此，本文認為，在微觀選址中應該對這一方面加強考慮。

圖1 微觀選址過程

圖2 WT計算示意圖

圖3 風向玫瑰圖

圖4 風向能量圖

項目實例

國內某風電場在2012年立塔測風，經過為期一年的實測，發現此風電場風質較優。其平均風速在6.01m/s左右，并且湍流較低。對測風數據進行處理，得到其風向頻率和風向能量如圖3、圖4所示。

風資源評估采用成熟商用軟件Meteodyn WT 5.3。采用軟件默認參數進行計算，風電機組輪轂高度選擇90m，機型選擇SE13125（風輪直徑131m，額定功率2500kW）。布機分為相對獨立的兩部分，西邊機位有7臺機位，東邊部分有12臺機位。排布如下圖5所示。

經過計算，得到本風電場的AK值、平均風速、發電量、尾流、密度、入流角等主要信息。表1為機位主要信息匯總表。

分析得到發電量在可接受范圍之內，結合湍流的計算結果，再經過逐個機位安全性復核認為，這些機位都可以正常使用。

圖5 WT計算示意圖

表1 機位主要信息匯總簡表

然而加入不同高度氣流扭轉角度的因素進行分析發現，以西邊機位為例，通過計算各個高度上的風向信息（圖6）。這里的扭角經過了換算，指的是本高度的水平風向角度和90m高度的水平風向角度的偏差。可以看出，對于大部分機位，在10m高度以上，扭角就變得非常小，可以忽略不計。但是A16機位離地25m高度扭角仍然有7.8度；A18機位在離地28m仍然有9.4度。對于本型號風電機組，葉輪運行于離地24.5m以上高空。因此，從風資源分析，這兩個機位運行環境比其他機位要差很多。因此需要更加細致的單機安全復核。按照個人經驗評估，在空間充足的情況下，要優先調整這兩個機位，或者優先舍棄這兩個機位。這個結論是使用以往方法所得不到的。

圖6 不同高度水平風向角度圖

結論

隨著風電場地形越來越復雜，在實際工程設計中，應該考慮越來越多的因素。在工程經驗積累和計算方法發展情況下，行業對于風電場設計的認識也越來越深入，有一些新的發現也會增加到風電場設計的考慮因素之中。本文提出在微觀選址中應該考慮將不同高度氣流的水平扭轉因素添加到風電場設計微觀選址中，并通過一個實例，得到了更好的微觀選址結論。

攝影：羅澤強