復雜地形對低風速風電場的影響

董 云 博 劉 輝 高 飛 李 德

（1 河北鯤能電力工程咨詢有限公司 河北石家莊 050000 2 石家莊市分布式能源設計工程技術研究中心 河北石家莊 050000）

引言

根據低風速電場風能資源的特點，研發出在低風速電場適用的低風速風機具有很大的市場。根據能源行業標準《低風速風力發電機組選型導則》 對低風速風力發電機組的相關定義——低風速風電機組，適用于標準空氣密度輪轂高度處代表年平均風速不高于6.5m/s、風功率密度不高于320W/m2風能資源條件下的風力發電機組[1]。復雜地形多指海拔起伏較大的山地。受地形影響，風向多不集中，風速、風切變、湍流強度等風能資源要素多變化較大，會對低風速風機產生巨大影響。

1 復雜地形影響風速及風向

風速的變化主要受地形和海拔高度的影響。在復雜山地中，風速的變化有的是地形起主導作用，有的是海拔高度起主導作用，有的是兩者同時主導變化。所以，在復雜山地中，單一測風塔的代表性一般不足，利用軟件推斷風機位處風能資源時誤差會變大。

例如，廣西某山區擬開發一座風力發電場，場內有兩座測風塔，編號分別為#1、#2，兩塔相對位置如下圖1 所示，

圖1 測風塔相對位置示意圖

其中，#1 塔海拔高度為977 米，年均風速為4.03m/s；#2 塔海拔高度為859 米，年均風速為6.13m/s。該地區主風向為N-NNE扇區，次主風向為S 扇區。

兩座測風塔相距不足7km，但是風速相差較大。同時，海拔高度較高的#1 測風塔年均風速反而遠遠低于#2 測風塔。所以，該地區風速受地形影響比較嚴重。主要原因是#1 測風塔主風向上有高海拔突起山體，而#2 測風塔主風向以及次主風向上均沒有高海拔山體對其遮擋。所以，在復雜山區，風速受地形影響比較嚴重。

風向主要受地形影響，海拔高度基本不對其產生嚴重影響。由于地形的多變，多會造成風向分布散亂。可能會導致低風速風機在發電量預估上產生比較大的誤差。所以，受地形影響的風速以及風向會導致低風速風場發電量預估誤差不可控。進而導致低風速電場財務評價以及收益率計算的偏差[2]。

針對風速和風向受地形影響的情況，應在風場范圍內適當多樹立測風塔。障礙物、山體突起、代表性以及地形的走勢等方面都是測風塔選點應該注意的重要因素。收集到更多場內實測風數據，通過多塔綜合計算、交叉對比、相互校驗等手段，使得低風速電場前期發電量預估誤差盡可能小。進而得到更客觀的財務評價和收益率，可有效預估項目是否可行，以達到規避風險的目的。

在獲得實測風數據后，如何在現有測風塔和地形圖的基礎上，更準確地模擬風電場風能資源和進行風場建模成為關鍵問題。據此，我們從以下三個方面出發：

第一，細致處理測風數據，合理檢驗，選取具有代性的完整年數據；測風塔實測數據整理完善、準確，具有長期代表性，以此保證測風數據輸入條件的可靠性。

第二，大比例尺地形圖實地測量，以此保證地形圖的準確性和實時性；采用大范圍地形圖，充分考慮地形以及周邊風電場之間的影響，充分模擬出場址區域在整個區域之內的風資源分布情況。將風場其它風場機位加入模型中；粗糙度分等級細化賦值同時與實際地物相結合等，充分模擬地表植被對風場內機位局部微觀的風速的影響，保證風場建模的真實性和準確性。

第三，在此基礎上，同時選用合適的數值模擬方法，多管齊下，最終保證對整個風場的風資源模擬準確。

2 復雜地形影響風切變、湍流強度、入流角

風切變、湍流強度以及入流角等因素是機組選型的重要依據。

風切變是風機輪轂高度選擇的重要依據之一。風切變受大氣穩定性影響，在復雜山區，地形變化大，氣流變化復雜，風切變也變化多端。同時風切變可能因為地形的原因（坡面、狹管、溝壑等）導致風的加速或者減速，甚至產生負切變。在利用風切變推導輪轂高度處風速時，可能會由于風的加速或者減速效應，從而導致誤差，選錯機型。

針對復雜地形的風切變計算，可收集多測風塔的實測風能資源數據分析風切變與地形之間的相關性，建立擬開發區域地貌與風切變模型，并利用流體力學相關公式進行風切變的綜合擬合修正。湍流強度與入流角都對低風速風機的安全性有重要影響。一個風電場的運行生命周期是20 年，在不同風況下都能保證風機的安全性是前期設計和風機廠家的重要責任之一，風機選型就成為重中之重。湍流強度和入流角都可以影響風機的安全性。其中，湍流強度通過測風塔實測數據計算得出。湍流強度由風速偏差與平均風速相除計算獲得，風速偏差與平均風速均由測風塔測量獲得。所以根據上文“復雜地形影響風速及風向”中的相關論述，可有效避免湍流強度誤差帶來的風險。但應該注意的是，在復雜山區，應對風機位進行逐臺湍流強度分析，并針對復雜山區的地形進行綜合考慮擬合分析。避免湍流強度給風機帶來安全隱患，進而影響風電場的發電量。

入流角完全因為地形產生。以下措施可以較為有效的避免入流角帶來的風機安全隱患：

（1）對風電場進行逐臺入流角分析，并根據分析結果進行風機位的優化設計；

（2）微觀選址階段做好室內風機位優化的前提下，做好現場的踏勘，并針對現場踏勘中存疑的風機位進一步優化。

3 復雜地形影響造價及施工難度

在復雜低風速區域，除風能資源帶來的困難外，其他建場難度也很大。比如在道路方面，在復雜山區，風電場進場道路以及場內道路等都會遠遠比平坦地區的造價高，難度大；在集電線路方面，對比平坦地區，復雜山區的風場造價高1.5-2.0 倍左右?？梢?，很多方面都會在造價方面帶來困擾。

基于復雜山區風電場造價高的難題，盡可能準確預估發電量并提高發電量就變得尤為重要。準確預估發電量，可以準確計算項目收益率，做出更為客觀的財務評價。同時，在合理范圍內，盡可能提高發電量，比如，選用更適合的輪轂高度，選用更適合的機型，盡可能優化風機位等。

結語

（1）在復雜地形的低風速發電場，風速和風向會受地形的很大影響，在合適的位置，樹立適當數目的測風塔，可以更為精確的評估擬開發低風速區域的風能資源。

（2）準確評估擬開發區域的風能資源的前提下，仔細分析風切變、湍流強度以及入流角等因素，選用更合適的輪轂高度以及風力發電機組。確保盡可能提高發電量的同時，確保風電場的安全性。

（3）選用更適合擬開發區域的低風速風機，并優化風機位、道路以及集電線路等因素，有效控制風電場造價，是低風速風電場建場的前提和根本。

（4）做好風電場前期評估和分析，使擬開發風電場財務評價和收益率計算更客觀，有效避免風電場建設以及后期運行風險。