陸上復雜地形風電場自動布機方法研究

文 | 苗得勝，吳迪，劉懷西，張敏，劉飛虹

隨著我國風電產業的快速發展，陸上風電場的開發重心逐漸從高風速平坦地形區域轉移到中低風速復雜地形區域。機位方案的好壞直接影響風電場的發電量，進而影響經濟效益。因此，機位排布是風電場開發中的重要環節。

復雜地形風電場內海拔變化大，風速分布不均，風況復雜。布機時不僅要求機位點的風能資源好，還要求機位點、避開限制區域，入流角、風切變、湍流強度等風能資源參數滿足規范和機組要求，機組之間滿足最小機距要求等。目前，陸上風電場多采用手動布機的方式制定機位排布方案，但是風能資源工程師用手動布置的機位計算發電量并復核安全性時，經常出現一些機位點發電量過低或不滿足某項限制因素要求的情況，必須調整機位點，重新計算和校核。因此，一些復雜項目往往需要重復進行選址、計算、校核才能制定一個合格的機位方案，耗費大量時間和計算資源。

基于此，研究一種針對陸上復雜地形風電場的自動布機方法具有實際意義。本文以解決陸上復雜地形風電場的布機難題為出發點、以發電量最優為目標，排布過程中考慮各項限制因素，提出了一種陸上復雜地形風電場自動布機方法。同時將該方法應用于實際工程項目中，通過與手動布機方案對比，驗證了本方法的合理性和先進性。

自動布機方法

一、布機思路

基于風電場風能資源計算結果，提取測風塔修正后場區范圍內的風能資源參數（高程、風速、入流角、風切變、湍流強度），結合風電場范圍和限制區域、風電機組型號和機組要求、風電場布機要求，循環地在場區內尋找發電量最優的機位點，布機并更新風能資源圖譜，直到選出所有機位點，完成布機。

將上述流程細化，得到自動布機的邏輯流程如圖1所示。

在計算過程中，如果出現有效布機區域不足或者機位點風速低于用戶設定最小風速的情況，程序會結束計算并給出提示。

二、關鍵技術

（一）考慮尾流效應布機

在確定每一臺機位后，根據場內風速分布、粗糙度、測風數據和尾流模型，對整個場區內的風速圖譜進行計算并更新，然后根據新的風能資源圖譜進行下一臺機位點的選擇。這一做法保證了風電機組不會置于臨近風電機組尾流影響較大的區域內。

圖1 自動布機邏輯圖

計算尾流效應時，本文采用了改進的PARK尾流模型和Jensen尾流模型。這兩種模型是目前風電行業內應用最為廣泛的半經驗尾流模型，被大多數風能資源計算和評估軟件用來計算風電機組尾流效應。

改進的PARK尾流模型描述的風電機組后錐形尾流的風速減速因數Cwake計算公式如下：

式中，x為當前位置與風電機組在風向上的投影距離；Ct為推力系數，其值對應上風向風速，且要求0≤Ct＜1；Crotor為產生尾流影響的風電機組風輪直徑；Aoverlap（x）是下游受影響葉輪面與尾流影響截面的重疊面積；ADownWind（x）是尾流影響截面面積；k為尾流衰減因子。

其中，尾流衰減因子的計算公式如下：

式中，Iurot為產生尾流的風電機組輪轂高度處湍流強度。

Jensen模型計算風速減速因數Cwake的方法與PARK模型一致，計算尾流衰減因子的方法與PARK模型不同，公式如下：

式中，A為系數，一般取0.5；h為風電機組輪轂高度（m）；z0為風電機組所在位置的粗糙度高度（m）。

尾流影響后的風速大小為：

式中，UAfterWake（x）為下風向距離風電機組x米處的尾流后風速；UBeforeWake（x）為下風向距離風電機組x米處尾流前環境風速。

在選擇一臺機組后，通過計算場區內每一個單元受到該機組的尾流影響來計算尾流后的風速大小。根據計算結果進行風速圖譜的更新，計算流程如下：

首先，針對風電場內每一個單元，計算該單元與風電機組的距離，根據尾流影響范圍判定是否受到該風電機組的尾流影響。

然后，對受到影響的單元，計算該單元受到風電機組影響的風向范圍，并計算該風向范圍在測風數據中的風頻占比。計算方法如下：

式中，ProbDirRange為該單元受影響的風向范圍的風頻占比，ProbDirStart是該單元順時針方向上開始受到風電機組尾流影響的風向累計概率密度函數，ProbDirEnd是該單元順時針方向上結束受到風電機組尾流影響的風向累計概率密度函數。

之后，計算受影響單元的風速減速因數，計算受影響后的風速，結合受影響的風頻占比，計算尾流影響后的風速。計算公式如下：

最后，根據所有網格的計算結果，生成新的風速圖譜。基于更新后的風速圖譜，進行下一個機位點的選擇。

（二） 不合理機位剔除

由于在布機過程中無法考慮機位點分布對道路和集電線路成本的影響，本方法加入了基于機位分布的孤立機位檢測算法，來檢測并剔除遠離機群的機位。

激活不合理機位剔除功能后，可以根據用戶設定的剔除標準進行不合理機位點篩選，避免發生因單臺機位修路過長導致道路成本過高的情況。不合理機位剔除示意圖如圖2所示。

根據設定的剔除標準，對圖2中機位排布方案進行不合理機位點篩選，發現風電場正北方有一臺孤立機位，東南方有兩臺孤立機位，如圖中紅色點位所示。剔除這些機位點，可以大大減少場內道路成本。

項目驗證

選取實際工程項目，采用本文所述方法進行布機，與傳統手動布機方案進行對比，驗證本方法的合理性和先進性。

圖2 不合理機位剔除示意圖

一、項目概述

該項目位于河南省南部山區，屬于典型的中低風速復雜地形山區風電場。風電場邊界如圖3中灰線所示，占地約110km2。風電場中有一處野生動物保護區，邊界如圖3中紅線所示，占地面積約40km2，此區域內不能布機。有效的布機區域占地約70km2。

風電場規劃容量為100MW，業主要求采用MySE3.2-145低風速機型，共計32臺。

風電場內有一座測風塔位于保護區邊界上，如圖3中E1所示位置。測風塔主風向為東北偏東，次主風向為西南偏西。主風向和次主風向風頻占比較大。測風塔年平均風速為4.43m/s。該測風塔完整年數據的風速分布圖和風向玫瑰圖如圖4（a）、圖4（b）所示。

二、風能資源數據

布機所需風能數據包括：采用風能資源計算軟件WT進行定向計算，并用測風塔數據進行綜合計算，獲取風電場測風塔高度等高面的風能資源參數圖譜（包括平面坐標、高程、風速、入流角、風切變、湍流強度、威布爾參數等）；風電場密度下MySE3.2-145機型對應的功率曲線；風電場內測風塔修正后的平風年風速風向數據。

三、控制參數設置

按照業主要求，機位方案要滿足規范安全要求和機組安全設定。需要考慮的限制因素有：風電場邊界、風電場限制布機區域、最小機距、入流角、風切變、最低布機風速。設定風電場布機的限制因素如表1所示。

四、計算結果

采用本文所述自動布機方法，基于上述風電場要求進行風電場機位方案的排布，得到機位方案如圖5所示。采用自動布機方案計算得到的風速圖譜如圖6所示。

業主提供的手動布機方案同樣采用32臺3.2-145機型，機位分布如圖7所示。采用手動布機方案計算得到的風速圖譜如圖8所示。

對比圖6和圖8，可以發現自動布機方案在高風速山脈上的布機更為緊湊，在滿足3倍風輪直徑的機距前提下，充分利用了場內資源。同時，與手動布機方案相比，自動布機方案篩選并剔除遠離主機群的機位，降低了道路建設成本。

將自動布機方案與業主方手動布機方案的相關評價指標進行對比，包括：尾流前后的平均風速、折減后的年利用小時數、風電場年發電收益。計算過程中，上網電價取0.42元/千瓦時，發電量折減取0.8。對比結果如表2所示。

圖3 風電場范圍示意圖

圖4 風速風向分布圖

圖5 自動布機方案示意圖

表1 風電場布機限制因素

圖6 自動布機方案風速圖譜

圖7 手動布機方案示意圖

圖8 手動布機方案風速圖譜

表2 自動布機方案與手動布機方案對比

表2中數據顯示，采用本文所述方法得到的機位排布方案在尾流后平均風速、平均利用小時數、風電場年發電收益上均優于業主提供的機位排布方案。其中，尾流前平均風速高出0.133m/s，尾流后平均風速高出0.209m/s，折減后的年利用小時數高出154.8小時，整場年發電收益高出665.77萬元。

通過對比可以發現，采用本文所述自動布機方法進行復雜地形陸上風電場布機得到的機位排布方案在發電量和經濟收益上優勢明顯。按照25年的風電場運行期來計算，相對于業主的機位方案，采用本方法獲得的機位排布方案可以給業主創造1.664億元的額外發電收入。對一個100MW的陸上風電場而言，這一收益是非常可觀的。

結論

本文提出了一種針對陸上復雜地形風電場的自動布機方法，實現了基于場內風能資源分布，同時考慮各項限制因素和風電場排布要求的自動優化布機。

此外，通過一個實際工程案例，對本方法的實用性和先進性進行了驗證。對比業主提供的機位方案發現，采用本文所述自動布機方法獲得的機位方案，在平均風速、年凈利用小時數和年發電收益上均具有明顯優勢。這一結論驗證了本文所述自動布機方法的科學性和實用性。本方法的主要特點總結如下：

（1）本方法以發電量最優為布機目標，獲取的機位排布方案相比手動排布的方案具有明顯的發電量優勢。

（2）本方法在計算過程中實時計算風電機組尾流效應對排布的影響，因而獲得的機位方案尾流損失明顯較小。同時降低了尾流引起的機組安全風險。

（3）本方案在排布過程中考慮了規范中對于入流角、風切變等風能資源參數的限制，使得進行一次排布即可滿足機組安全性要求，避免了手動布機時反復調整機位的情況。

（4）本方法加入了異常機位點剔除功能，對遠離風電機組集群的機位點進行篩選和剔除，避免了某些機位點道路和集電線路成本過高的問題。

（5）本方法具有較高的計算效率，在30分鐘內完成計算并輸出機位方案，極大地縮短了布機時間。