平原和山地風電場宏微觀選址設計探究

馬朝利

（中國三峽新能源（集團）股份有限公司河南分公司，鄭州 450000）

1 風電場宏觀選址程序

風電場是風力發電的主要載體，發電廠宏觀選址的可靠性關系著該區域風力發電方案的可行性，對挖掘該區域的經濟潛力意義重大。風電場宏觀選址程序主要包括以下內容：

1）依據國家調查數據中風能的分布，選擇風力資源豐富的區域作為風電場選址的候選區域。但是為滿足風電場建設、運行的基本要求，該區域在具有充足風力資源的同時，區域面積、地貌、地形均應符合風電場經濟開發的相關需求。

2）勘察、篩選所有候選區域，選擇發展空間大、開發前景良好的區域，除去基礎的氣象學因素，風電場選址時可參考的信息指標還包括交通、網絡、通信等內容。分析候選區域的氣象因素時，相關人員需重點分析氣象災害的發生頻率，以及氣象因素影響下該區域建設風電場的可行性。

3）通過基礎的考察，初步完成風電場宏觀選址工作后，應具體分析該區域建設風電場的可靠性。（1）相關人員應借助實地測風獲取精準的風力資源測試數據，然后根據完整、準確的測風數據，準確地估算該區域布設風力發電裝置后的實際發電能力，如每年、每月的發電量[1]。（2）依據該區域的風力資源特點，匹配符合當地風能特征的發電機組，隨后針對風電場的選址，設計風電場的建設工程，并進行工程預算；同時確定該區域風力發電機組運行期間可能會對當地電網產生的影響，全方位地評估風電場選址的社會效益和經濟效益。

2 風電場微觀選址設計思路

1）制作初步的微觀選址方案。風電場測風、地形圖測試等宏觀選址工作結束后，還應采集可研究的選址資料，如當地氣象站獲取的氣象信息、測風塔測試出的詳細數據、地形圖等。隨后組織專業的勘測人員調查場址現場，對比資料與實際情況的差異，修正部分測風數據，深入分析布設場址內風力發電機組的裝配條件，初步確定機位。之后，相關人員根據風力發電機組機位平面設計圖完成風機運輸，根據試安裝的初步設計方案確定場址內的道路路徑，為風機的初次吊裝打好基礎[3]。

2）場址內的機位設計。（1）專業的選址人員應與風力發電機組的供應廠商、項目業主、風電場設計人員，以及土建、地質勘測相關的專業人士共同到現場勘測場址內各區域的機位點。（2）布設定位樁、GPS裝置，標記風力發電機組的機位，并用相機、錄像裝置記錄周圍機位與環境，詳細評估機位的合理性。（3）確定機位后，設計場址內的道路路徑及發電機組的吊裝平臺，同時復核風力發電機組的荷載、其他參數，靈活調整機組安裝位置。（4）全場勘測完畢后，及時調整、剔除不合理的風力發電機組的機位，并將修訂后的安裝方案提供給場址區域的國土職能部門、林業部門核查，待其審批后完成機位坐標表。

3）完成微觀選址設計方案。基于風電場微觀選址過程中的所有數據結果編制微觀選址設計方案，生成微觀選址報告。報告完成后需交給風電場建設項目的業主，使其組織相關專業人士審查該報告，提出修改建議；設計人員應及時修訂選址設計報告，直至業主無異議。

3 平原風電場的微宏觀選址設計

3.1 微觀選址

3.1.1 布置測風塔

對于平原風電場的微觀選址設計，布置測風塔是核心工作。通常情況下，風場中心半徑5 km范圍內，若地形之間的高度差小于50 m，則代表該類風電場屬于“平原風電場”。平原風電場微觀選址設計中，設計人員需在場址區域內的相同地形高度上測試風速，確定風速均勻分布后，將測風塔安裝在該區域的中心位置。具體安裝平原風電場測風塔時，還應同時注意周圍地面建筑體和地質條件，在不影響測風塔基本性能的前提下，可適當調整測風塔位置。

3.1.2 微觀選址注意事項

1）平原風電場現場微觀選址時，設計人員應確保場址內的風力發電機組位置與場址地形圖上的位置保持一致，機位點位置的誤差應控制在最小范圍內，以此保證機組的實際發電量。為實現該目標，設計人員在實際選址時，應借助專業的測繪儀器確定現場的機位點。

2）地勢平坦是平原風電場的特征之一，但平坦的地勢會使場址內可能包含農田、居住地，以及區域內電網的集電線路。為此，設計人員在微觀選址設計時，應在選擇可布置機位點的前提下，備選大概3個機位，從而在場址內出現限制性因素后，保證風力發電機組量的充足。

3）平原風電場微觀選址設計時，設計人員在應用測風塔測量場址內風能質量、風速等基本參數的基礎上，仍需了解該區域風能資源的分布情況，并綜合考慮區域內土地使用情況、環境變化、電力裝置等客觀因素，以及風力發電機組安裝時的機位點附近的障礙物。與此同時，微觀選址設計期間，設計人員應加強與風電場項目開發商的溝通，詳細了解其建設風電場的總目標、基本要求，對于選擇風力發電機組型號、開發道路、運輸核心設備等基礎工作，應與項目開發商溝通、確認后實施。

3.2 宏觀選址

平原風電場宏觀選址設計中，評價風電場場址的風能資源是選址的基礎工作。設計人員需初步計算候選場址的最大風速、風切變、平均風速等參數，模擬場址風速頻率的實際分布情況。具體計算時可借助韋伯分布函數計算各個風速的發生概率，計算公式為：

式中，f（V）為場址內的風速概率密度分布函數；K、C為韋伯分布函數的兩個重要參數，C通常為尺度參數，K為形狀參數；V為風場模擬風速。

獲得上述參數后，設計人員可應用STRM、NCEP數據分析場址內的風力資源情況，該數據的使用原理是風電場的氣象資料、地形信息等基本數據能夠在數據軟件的支持下，計算候選場址的韋伯分布函數值，設計人員可按照該數值判斷場址各個區域的風力資源分布情況，確定最終的開發區域；然后，設計人員還可利用該數據估算風力發電機組的發電量、微觀選址時的測風位置。風場風力資源估算流程如圖1所示。

4 山地風電場的微宏觀選址設計

4.1 宏觀選址

山地風電場的地形通常為隆升地形，該類地形會使一定區域內的氣流運動速度增加，山脊峰頂處的氣流速度最高。因此，在建設山地風電場時，為有效開發、利用該區域的風能資源，需要將分機安裝在脊峰處。宏觀選址過程中，設計人員可直接將測風塔安裝在脊峰處，獲取該區域的風速、平均風速、最大風速等參數，對比分析不同備選場址的風力資源，選擇風力資源充足的場址作為風電場的開發區域。

4.2 微觀選址設計

安裝測風塔同樣是山地風電場微觀選址設計的重要內容，設計人員在宏觀選址結束后，可在不同場址內的山脊上布設1~2個測風塔。對于氣象條件較為特殊，且風力發電需求量大的地方，可適當增加測風塔，比如，湖南、云南、四川、廣東等地區存在特殊氣候，測風塔的數量、規格、基本性能均應符合當地的氣象環境要求。

另外，山地地形非常復雜的風電場場址，設計人員將風機點位設置在山脊線上時，還應使用更專業的評估軟件建立包括山地風力發電機組容量系數、功率曲線、排布情況等參數的數據模型，直觀地呈現山地風力發電機組安裝后的發電量。

山地風電場微觀選址設計中，常用的軟件有WingPro、WAsP、Metodyn WT等，其中，Metodyn WT的基本原理是流體力學，可以詳細地模擬不同空間中的風流，能夠幫助設計人員在選址中準確地分析復雜山地地形的風力資源，見表1。

表1 某山地風電場風速模擬成果表

4.3 山地風電場微觀設計要點

建設山地風電場時，微觀選址設計工作是風電場開發建設的基礎環節。設計人員需要準確地分析候選場址的風力資源，并通過實地勘測、數據估算、風速模擬等方式，科學地進行山地風電場的微觀選址設計工作。編制山地風電場微觀選址設計方案時，應注意控制場址內尾流對風電場實際發電量的不利影響，同時根據風電場內風力發電機組的分布設計，將機組后尾的湍流強度控制在合理范圍內。除此之外，由于微觀選址設計方案會直接影響后期風電場的基本運維、基本效益，所以，完成微觀選址設計方案時，還應注意以下問題：

1）確保風速模擬模型的適用性、實用性。模擬山地風電場風流時，選址人員還應綜合分析山地地形，了解基礎的項目數據，隨后根據山地高程、大氣穩定度及地形粗糙度相關的文件要求，因地制宜地選擇可應用的模擬軟件。

2）對于復雜的山地風電場場址，風速模型的數據準確性會受到影響，所以，需要現場確認各項參數。比如，對于山地風電場的背風坡、陡坡上的風流，還需現場確認、測試、勘察后估算風力資源，借此確保風速模擬后各項關鍵數據的準確性，為設計人員選址提供有效的參考數據。

3）布設風力發電機組時，山地風電場可能會存在部分機組分布較廣、發電量低的情況，對此，相關人員應提前測算該機組的單機效益，分析其盈利水平，隨后在滿足開發商盈利要求的情況下，靈活地調整機組位置，使其安全、穩定地運行，為山地風電場創造更多的經濟、社會價值。

5 結語

綜上所述，為推動我國風力發電事業的可持續發展，有效開發風力資源，相關部門在建設風電場時，應嚴格把控風電場的宏觀、微觀選址設計工作，同時配合政府部門的規劃，選擇風力能源充足、風力發電機組安裝可行性較高的場址。具體選址過程中，還應采用先進的數據分析軟件，準確地獲取候選場址內的風速、風量，突出風電場宏觀選址、微觀選址的基本優勢，節約風電場項目開發成本，建設符合滿足社會能源控制及社會利用要求的風力發電場。