利用閑置地塊開發分散式風電的風機選址與選型研究

2021-06-30 06:01:08吳曉平

南方能源建設 2021年2期

吳曉平

（國家能源集團國華能源投資有限公司，廣州510620）

隨著氣候變化的影響越來越嚴重，溫室效應、大氣污染、酸雨等生態環境問題的凸顯，為應對氣候變化，《巴黎協定》為世界各國設定了一個全球綠色低碳轉型的清晰目標。習近平主席在七十五屆聯合國大會上提出：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。立足我國國情和發展階段，貫徹“清潔低碳、安全高效”方針，切實踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，已成為中國當代發展共識。以環保和可再生能源為特性的風電、太陽能、潮汐、地熱等新能源越來越受到國家的重視，風力發電作為一種清潔而較為成熟的可再生能源，對于促進地區治理大氣污染、調整能源結構、轉變經濟發展方式具有重要意義［1-5］。國家能源局提出，未來幾年我國的風電發展模式為：“大型風電基地建設為中心，規模化和分布（散）式發展相結合”，即在過去建立大基地融入大電網促進風電規模化發展的基礎上，支持風資源不太豐富的地區，發展低風速風電場，倡導分散式風電開發模式［6-10］。這樣能避免風電場的過于集中對電網造成的壓力，尤其是在中東部及華南區域建設低風速風電場，可以就近為中東部及華南區域電力負荷較大的地區供電，還能緩解電網輸配電壓力。隨著2017 年5 月國家能源局發布《國家能源局關于加快推進分散式接入風電項目建設》［11］及2018 年4 月國家能源局發布《分散式風電項目開發建設暫行管理辦法》文件相繼出臺，給分散式風電開發帶來了機遇。

根據最新風資源數據，中東南部及沿海90 m高度，風速5 m/s 的區域計算，可以開發利用的資源約有1 TW。而且我國中東南部、華南及沿海區域，經濟相對較為發達，社會用電量大，利用村鎮或廠區周邊閑置地塊發展分散式風電，一是可以解決自身用電，二是可以利用國家政策，降低電價，提高自身收入［12-14］。但是，一般這些地方對分散式風電項目來說，沒有實測風資源數據支持，對分散式風電場開發、風機點位選址及風機選型提出了較大的挑戰。如何解決這些問題，減少投資風險，本文提出一些設想供大家探討。

1 分散式風電的開發

在三北區域地廣人稀，地勢較為平坦，很多地方都可以做風電項目，90 m 高處風資源基本都是6 m/s 以上，而在中南部及沿海區域，大多是丘陵地帶，山高林密，地少人多，90 m高處風資源基本是5~6 m/s。因此在這些區域開發低風速分散式風電要依據本區域能源規劃或分散式風電規劃作為指導，充分了解本區域內電網及負荷情況，做到有的放矢。要對本區域內可能建設分散式風電場資源有一個概括的了解，將區域資源點位優選后分為若干項目，選取最優資源進行有序開發，做到投資效益最優。

低風速分散式風電與集中式風電開發方式不同。集中式風電項目開發是先進行調研選址，確定可開發的地域資源，對擬選定的區域進行宏觀選址和可行性研究分析，在擬定開發風電場區域內，根據風電場裝機容量，安裝1~n座80~120 m 測風塔。如地形復雜，則需要多裝測風塔，才能取得較為準確的測風數據，根據一整年的測風資料及附近氣象站30 年資料加以分析，編制可研報告，其目的就是評估風電場裝機容量和年發電量，進行經濟效益評估，再決定是否投資開發該項目。分散式風電開發不能照搬集中式風電開發模式，對于分散式風電開發而言，建議先對擬建風機區域內的10~110 kV變電站做調研，充分了解擬建區域內變電站接入及負荷情況。為了減少送出線路投資，應以變電站為中心，在半徑10 km 范圍內尋找可開發風場。根據“分散式風電項目建設暫行管理辦法”文件要求，分散式風電接入電壓等級應為110 kV及以下電壓等級消納，并且不允許反送電，這就要求對擬選定的接入變電站做充分的調研分析，確定出最大的可接入容量。分散式風電要盡量在消納容量允許范圍內安裝適宜的風電機組，裝機過大會產生限電，影響收益。為了更好的消納分散式風電的電量，建議盡量尋找區域內高電壓等級變電站作為接入點，同時結合項目周邊線路情況及接入站點情況確定T或π接入方式。

根據當地電網主管部門提供的變電站間隔使用情況及最大負荷情況，確定分散式裝機量，為減少損耗，最遠端風機距離接入變電站盡量控制在10 km 以內；同時要考慮擬建風電場的水保、地質、地災、環境、林地（草原、濕地）及運輸條件。

低風速分散式風電在項目開發上可以有多種模式。如可以考慮與地方經濟相結合，如與地方政府共同出資建設低風速分散式風電場，地方政府以土地租金入股或以資金入股形式投資低風速分散式風電場，風險共擔，利益共享，其優點是在政策上或審批程序上享受一定優惠政策，同時也會加快審批流程。當然，低風速分散式風電場項目投資建設還有許多種開發模式，不局限于一種，關鍵在于地方政府如何支持項目開發。

2 分散式風機選址與選型

分散式風電項目的開發原則是以靠近負荷、就近消納為主導，基本執行“先找負荷、再找網、然后找風”原則，要綜合考慮是否存在環境、噪音、投資和發電量等限制因素，首先開發距離變電站近的機位，考慮電力消納因素，在選擇變電站原則上就高不就低。由于分散式風電裝機規模小，如果達不到一定裝機規模，在場址內安裝測風塔，會增加設備和人工維護費用的投入。本著投資效益最大化原則，為了降低投入，一般在選定分散式風電場地域基本上沒有安裝同輪轂高度以上的測風塔，但為了較好地對分散式風電場發電水平評估，建議對擬建風場逐個機位點進行資源評估。首先查看機位點附近是否有氣象站或可利用的測風塔做參照，對于地勢平坦區域，最好距離在5 km 以內，對于山巒和起伏較大區域最好在2 km 以內，利用其風資源數據與當地距離最近的氣象站30~50 年氣象觀測數據進行綜合分析評估；同時依據國家氣象局《分散式風力發電風能資源評估技術導則（QX/T 308－2015）》、《風電場風能資源評估方法》［15］結合使用氣象大數據和當地氣象站30~50 年氣象觀測數據進行風資源分析，并利用中、小尺度數據模擬等方法分析，對擬定風電場（機位）進行模擬分析，對投資收益等進行預估，但得到的結論肯定會比場內安裝測風塔的有誤差。為了減少誤差，利用模擬計算得出的結果與附近風電場（如果有）結果進行比對，進行修正。

由于沒有風電場內實測風資源數據，對風資源評估缺少支持數據，對風機機位選擇正確位置提出了挑戰，因此選址需要更加精細，為確定機位點，建議先去擬選定的風電場現場實地踏勘，對每個風機點位資源情況與投資情況綜合考慮，寧缺毋濫。根據風機布置原則，結合當地氣象站風資源數據，運用WASP 程序對擬定機位點進行測算，最好先在1∶2 000 圖紙上落點，特別關注風機對附近居民噪音的影響，一定要確定符合國家及地方對環境、環保要求，風機機位要距離居住點最少500 m 以上，同時風機應布置在主風向上，分散式風電雖然風機安裝機位少，但也需考慮其尾流影響。為保證每臺風機的發電量及收益估算等問題，在風機點位選擇布置上應充分考慮地形，避開遮擋物；對于復雜地形，特別是山谷地域，還要注意湍流問題。為了減少湍流影響，盡量選擇地勢平坦的地方建立風機位，同時機型的選擇應考慮同輪轂高度可能出現的極大破壞風速進行測算。

在一個垂直斷面上，低矮處受地面障礙物影響大，風速小。反之，高處受地面障礙物影響小，風速隨著高度增加風速增大。風速是隨高度變化通常是指風切變指數，風速隨高度變化直接影響風機的輪轂高度和風電場的建設成本。因此，選擇最優輪轂高度風機獲得最大效益是風電開發商的最終目的。

風切變指數計算公式如下：

式中：α為風切變指數，與地面粗糙度有關；Vn為高度Zn處的風速（m/s）；Vi為高度Zi處的風速，（m/s）。

同等條件下風切變指數α大小反映了風速隨高度的變化，當α值增大，風速也隨之加快。一般情況下，當風切變數值α接近大于等于0.2 時，可適當抬高輪轂高度捕捉更多的風能，產生更多的效益，但不能一味的提高輪轂高度，要計算投入產出效益。由于我國中南部及沿海區域90 m 高度年平均風速在5~6 m/s，可充分利用附近風電場或縣鎮氣象站測風數據、氣象大數據等資料進行計算風切變數值，從而確定是否可以抬高輪轂高度。

由于分散式風機點位不多，為了選擇適宜的機型，預防多年一遇的極大破壞性風速對風機產生的破壞，應利用附近氣象站氣象大數據或附近風電場多年10 min 最大風速數據，對多個機位進行50 年一遇的風速計算。通過計算得到50 年一遇的極大風速結果，再依據IEC 61400－1對應風速強度表選擇出對應型號的風機。

50年一遇風速計算方法如下：

風速的年最大值應按照極值I 型概率分布進行擬合，分布函數為：

式中：vmax為風速的年最大值（m/s）；u為極值I 型概率分布的位置參數；α為極值I 型概率分布的尺度參數。

極值I 型概率分布的位置參數u和極值I 型概率分布的尺度參數α應按下列公式計算：

式中：μ為實測年最大風速序列均值；σ 為實測年最大風速序列標準差；n為實測年最大風速序列樣本數；c1、c2為系數。

表1 c1、c2系數表Tab.1 Coefficient value of c1 and c2

在沒有實測測風數據，確保安全情況下，為提高經濟效益，建議采用加長葉片、單機容量大、低風速、高塔筒機型。對于沿海有臺風影響的區域，還要考慮抗臺機型，同時可以參考附近風電場機型作為依據。必要時，邀請風機廠家參加前期可研，現場踏勘，利用擬選定的風機廠商的氣象大數據對擬選用的機型進行定制化設計。分散式風電風力發電機機型容量選擇的范圍較大，選擇機點位受風資源和地形場地的制約較大，同樣也會限制分散式風電的發展，只有先做好前期的統籌規劃，精選風機點位，采用合理的送出方式，才能從本質上提高項目收益。如果條件允許，建議使用激光測風儀在機位點進行6 個月以上測風，并結合氣象大數據確定出更為合理的風機機型。

在風機點位選址上，應注意避開生態敏感區域，特別注重水土保持和施工完成后植被的恢復，使其影響降到最低。由于低風速分散式風電靠近負荷中心，幾乎沒有棄風限電情況，建議可與當地電網公司協調，建立電網友好型分散式風電場。

3 低風速分散式風電場投資風險

低風速分散式風電雖然裝機容量小，投資少，但是存在一定風險性：

1）風資源不準確風險，由于沒有安裝測風塔，利用附近氣象站或其他資料選擇的風機點位，可能會帶來發電小時達不到預期要求。這就要求盡可能對所選擇機位進行風資源的收集、研究、分析，多次現場踏勘。

2）管理運維的風險，分散式風電裝機容量小，基本上是直接接入當地電網，沒有建設升壓站，本地沒有運維管理人員，風機出現問題往往不能及時處理，造成電量損失。這就需要在區域內開發的分散式風電進行集中式管理運維，建立集控中心，對區域內分散式風電場進行管理運維，出現問題及時處理；還可以利用風機廠家的運維平臺，提供遠程服務。

3）建設風險，分散式風電場由于裝機容量小，但是涉及規劃、征地、環評、水保、地質、地災、壓礦、軍事、文物、電網接入等，這些手續一個都不能少，單位千瓦造價相對較高。開發商自己辦理往往費人費力，效率不高。為了盡快建成發電，建議委托有經驗及資質的第三方EPC 方式完成，降低風險。同時也洽商所在區域政府對分散式低風速風電項目予以支持，減少或合并手續辦理。

4）投資達不到預期效果風險，分散式風電優點是占用資源少、投資少、見效快。為了減少投資風險，增加效益，開發分散式風電可以結合分散式光伏，使之成為風光互補模式。如在工業園區附近開發分散式風電，可結合開發屋頂光伏，在給園區供電的同時；還可以建立起工業園區微網，保證工業園區自發自用余電上網，在平價（競價光伏）入網的時代，即可降低工業園區電價，又可提高收益率。

5）由于分散式低風速風電場相對投資少，見效快，收入可達20 年以上，可結合本地扶貧工程，利用扶貧政策的優惠條件，由“輸血式扶貧”向“精準扶貧”轉變，一次性投入長期受益。建立扶貧型分散式低風速風電場，這樣既可以拉動產業發展，又可以有效利用農村閑置荒地。

6）風機、塔筒及設備運輸存在風險。中南部及沿海區域，人員及村鎮較為密集，對設備運輸造成一定困難。在運輸前，應與運輸方共同現場踏勘實際運輸線路，提前溝通相關單位，減少運輸風險。

4 南方某分散式風電場案例分析

以南方某分散式風電場設計為例，該風電場地處南方沿海區域，利用廠礦周邊閑置土地建設n臺風機。擬定裝機15 MW，該風場沒有設立測風塔。調研附近5 km 內有風電場，同時附近有縣市級國家氣象站，因此收集附近風電場風電場風資源數據和氣象站氣象數據。根據中尺度資料統計和分析，計算得到90 m 高處年平均風速6.66 m/s，風功率密度294 W/m2。依據《風電場工程風能資源測量與評估技術規范》（NB/T 31147－2018）［16］標準，該風場風能資源等級為2 級。由于該風場地處沿海，每年都有臺風來臨，根據附近氣象站建站以來10 min平均最大風速45 m/s，極大風速60.4 m/s。同時根據附近電廠的臺風論證結論，推算出50 年一遇3S極大風速為65.4 m/s。根據IEC 61400－1 標準，該風場選用風機選用I類以上或專門設計的S型風機。

通過收集到的風資源資料計算得出本風電場50~100 m 高度風切變數據為0.016 4，50~100 m 之間隨著高度增加，風速隨高度變化不大。以上考慮最大限度避開尾流影響，充分利用閑置的土地，效益最大化原則。通過優化設計，擬選用3 臺100 m高輪轂3.X抗臺型風機。

5 結論

雖然國家能源局下發《關于加快推進分散式接入風電項目建設有關要求的通知》，明確支持分散式風電發展，且分散式風電項目不受年度指導規模限制。但是分散式風電發展仍較為緩慢，主要受制于兩方面因素：首先地方政府的引導不夠，也使得蹣跚前行的分散式風電缺少有力支撐；其次是我國風電開發起步于“三北”地區，風電開發企業習慣于通過大規模投資進行集中式開發，起到規模效應，而分散式風電項目規模小，投資成效相對較低，企業的積極性不高；另外分散式風電項目還在沿用集中式開發的審批要求和流程，導致效率低下，增加了前期成本。