張小雷，高崇倫，吳愛國

（1.安徽龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司，滁州 239200；2.浙江舟山啟明電力建設(shè)有限公司，舟山 316000）

0 引言

隨著全球化石能源（煤、石油、天然氣等）的逐漸短缺以及日益嚴(yán)峻的氣候變化形勢，風(fēng)能作為清潔、高效的可再生能源得到世界各國的重視和開發(fā)利用[1]。目前，我國風(fēng)能開發(fā)主要集中在風(fēng)能資源豐富的高風(fēng)速區(qū)域。此類區(qū)域風(fēng)能資源雖豐富，但由于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),無法消納足夠的風(fēng)電資源，常出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象，需通過建設(shè)堅強(qiáng)電網(wǎng)實現(xiàn)大容量的風(fēng)電送出。且目前風(fēng)電開發(fā)僅集中在風(fēng)能資源豐富區(qū)和較豐富區(qū)，這部分區(qū)域分別占全國面積8%和18%，主要集中在三北地區(qū)(東北、華北、西北)和東南沿海等地，可開發(fā)地域面積較小[2]。因此，人們逐漸將視野移向幅員遼闊的低風(fēng)速區(qū)域。

目前，所謂“低風(fēng)速地區(qū)”在國內(nèi)一般被認(rèn)為是國家氣象局發(fā)布的我國風(fēng)能三級區(qū)劃指標(biāo)體系中第三級區(qū)域，即為風(fēng)能可利用區(qū)。全國范圍內(nèi)風(fēng)能可利用區(qū)面積約占全國面積的50%[2]。與高風(fēng)速區(qū)域相比，低風(fēng)速區(qū)域開發(fā)風(fēng)電存在以下優(yōu)勢：

（1）可開發(fā)面積廣，開發(fā)潛能巨大；（2）接近負(fù)荷中心，不存在遠(yuǎn)距離送出，降低送出成本。電網(wǎng)條件好，低風(fēng)速風(fēng)電既可并網(wǎng)，也可離網(wǎng)就地使用，運行方式靈活方便；（3）低風(fēng)速風(fēng)電運行維護(hù)費用低、度電成本低，且低風(fēng)速風(fēng)電單位造價也會隨著推廣規(guī)模的不斷擴(kuò)大而降低[3]；（4）電價高，增大了開發(fā)商的盈利空間。值得一提的是，各地方響應(yīng)國家號召進(jìn)行新能源產(chǎn)業(yè)的布局，很多地方如山東、湖北等地，在標(biāo)桿電價基礎(chǔ)上還有財政補貼。

1 來安風(fēng)電場基本情況

來安縣地處皖東、江淮之間，為江淮分水嶺，風(fēng)能資源較豐富[4]。來安風(fēng)電場是國內(nèi)首個低風(fēng)速風(fēng)電場，也是安徽省首個風(fēng)電場。風(fēng)電場80m風(fēng)功率密度等級為1 級，風(fēng)電場年可利用風(fēng)速小時數(shù)較多，70m高度在3m/s～25m/s年小時數(shù)為7600h，在4m/s～25m/s年小時數(shù)為6600h。來安風(fēng)電場位于來安縣北部低山丘陵地區(qū)，分五期建設(shè)，總裝機(jī)247.5MW，共有165臺單機(jī)1.5MW風(fēng)電機(jī)組，其中132臺A87/1500機(jī)組和33臺B86/1500機(jī) 組。2011年1月6日，風(fēng)電場首臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。由于安徽省風(fēng)電開發(fā)規(guī)模小，截至2012年年底，安徽省統(tǒng)調(diào)機(jī)組約25000MW，其中風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模為300MW，風(fēng)電裝機(jī)占比僅為1.2%，占比較小，而且風(fēng)電場附近有600MW瑯琊山抽水蓄能電站，電網(wǎng)具有很強(qiáng)的調(diào)峰能力。自來安風(fēng)電場投運以來，所發(fā)電力全額上網(wǎng)，就近消納，沒有發(fā)生過限出力情況[5]。

2 來安低風(fēng)速風(fēng)電場運行分析

2.1 風(fēng)電場運行概述

來安低風(fēng)速風(fēng)電場自投產(chǎn)以來，風(fēng)電機(jī)組運行穩(wěn)定，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。2012年1月－12月，風(fēng)電機(jī)組全場平均可利用率98.78%，風(fēng)電機(jī)組運行平穩(wěn)，故障率較低，發(fā)電設(shè)備裝機(jī)平均等效滿負(fù)荷小時數(shù)和平均凈上網(wǎng)小時數(shù)與可行性研究報告基本持平，全場綜合廠用電率為2.46%。風(fēng)電場選用兩個廠家的風(fēng)電機(jī)組，一、二、三、五期采用A公司A87/1500機(jī)組，四期采用B公司B86/1500機(jī)組。

2.2 相對海拔高度對發(fā)電量的影響

風(fēng)電場模擬軟件顯示發(fā)電量隨海拔變化趨勢不明顯。本文統(tǒng)計了不同海拔下實際運行中各機(jī)位實發(fā)小時數(shù)，并與交底電量進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)實際發(fā)電量隨相對海拔上升增加較明顯，如圖1所示。通過曲線擬合，發(fā)現(xiàn)實發(fā)小時數(shù)與海拔高度成一次線性關(guān)系，其斜率為5.16，即海拔每下降10m，發(fā)電小時數(shù)平均下降51.6h，如圖2所示。本結(jié)論為后續(xù)低風(fēng)速風(fēng)電項目測風(fēng)塔數(shù)據(jù)數(shù)量不足或代表性欠缺提供了修正經(jīng)驗。

2.3 森林（粗糙度）對發(fā)電量的影響

根據(jù)實地踏勘記錄和衛(wèi)星照片，將A公司生產(chǎn)的四期132臺風(fēng)電機(jī)組分為有樹林和無樹林兩類地貌。統(tǒng)計兩類地貌下的機(jī)艙風(fēng)速和發(fā)電量如表1所示。對比發(fā)現(xiàn)，在平均海拔基本相當(dāng)?shù)那疤嵯?，有樹林機(jī)位的機(jī)艙平均風(fēng)速要比無樹林機(jī)位低0.12m/s，實發(fā)小時數(shù)約200h，而各種風(fēng)電場模擬軟件均未能反映出這一趨勢。同時，樹林對發(fā)電小時數(shù)的影響效果要比對平均風(fēng)速的影響大，這說明低風(fēng)速風(fēng)電場中的植被不但影響了平均風(fēng)速，而且使得風(fēng)頻、風(fēng)向、風(fēng)切變等參數(shù)朝著不利于發(fā)電的方向發(fā)展。分別對比不同海拔、兩種地貌下機(jī)位的平均發(fā)電小時數(shù)，如圖3所示?？梢?，幾乎在所有海拔下，有樹林機(jī)位的發(fā)電小時數(shù)都要比無樹林機(jī)位低。

圖1 交底小時數(shù)和實發(fā)小時數(shù)隨相對海拔高度變化曲線圖

圖2 實發(fā)小時數(shù)與海拔相關(guān)關(guān)系圖

表1 有樹林和無樹林地貌下風(fēng)速、發(fā)電量統(tǒng)計

圖3 不同海拔下兩種地貌機(jī)位小時數(shù)對比圖

圖4 1號風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)切變下風(fēng)電機(jī)組功率曲線圖

2.4 風(fēng)切變對功率曲線的影響

選取2012年3月1日—6月30日1號風(fēng)電機(jī)組SCADA功率和對應(yīng)同時段生產(chǎn)測風(fēng)塔10m～80m風(fēng)切變數(shù)據(jù)，做出不同風(fēng)切變下功率曲線圖。如圖4所示，在大部分風(fēng)速段,功率曲線隨風(fēng)切變增大而降低，在風(fēng)速接近額定風(fēng)速左右情況正好相反。風(fēng)切變值的大小和地面粗糙度、大氣穩(wěn)定度等有較大關(guān)系。一般來說粗糙度越大，風(fēng)切變越大，越不利于風(fēng)電機(jī)組發(fā)電，這一結(jié)論和前文地面粗糙度對風(fēng)電機(jī)組發(fā)電能力有較大影響的結(jié)論相吻合。

2.5 湍流強(qiáng)度對功率曲線的影響

為探索湍流強(qiáng)度對功率曲線的影響，本文選取2012年3月1日－2012年6月30日，1號#風(fēng)電機(jī)組SCADA功率和對應(yīng)同時段生產(chǎn)測風(fēng)塔80m高度湍流強(qiáng)度值，做出不同湍流下功率曲線圖。如圖5所示，風(fēng)速在8m/s以下，功率曲線隨湍流強(qiáng)度增大而增大。風(fēng)速大于8m/s以上時，情況正好相反。湍流強(qiáng)度的大小和地面粗糙度、大氣穩(wěn)定性和障礙物等有較大關(guān)系。就低風(fēng)速風(fēng)電場來說，低風(fēng)速段風(fēng)能所占比例較大，故湍流強(qiáng)度越大越有利于風(fēng)電機(jī)組發(fā)電。這和A公司提供的理論狀態(tài)下不同湍流強(qiáng)度對應(yīng)的功率曲線結(jié)論相吻合。

3 總結(jié)

高風(fēng)速地區(qū)建設(shè)風(fēng)電場受到資源、規(guī)模等限制，在不少省（市、自治區(qū)）不同程度出現(xiàn)了風(fēng)電送出和運行限電的情況[6]。而低風(fēng)速區(qū)域可開發(fā)面積大，靠近負(fù)荷中心，完全被電網(wǎng)吸納等優(yōu)點會成為未來風(fēng)力發(fā)電的一個趨勢。

圖5 風(fēng)電機(jī)組在不同湍流強(qiáng)度下風(fēng)電機(jī)組功率曲線圖

本文針對國內(nèi)首個低風(fēng)速風(fēng)電場—來安風(fēng)電場，從風(fēng)電場的相對海拔高度對發(fā)電量影響、森林（粗糙度）對發(fā)電量的影響、風(fēng)切變和湍流強(qiáng)度對功率曲線的影響等四個方面進(jìn)行分析，總結(jié)了運行規(guī)律和特點，為今后低風(fēng)速風(fēng)電場建設(shè)提供了參考經(jīng)驗。

攝影：陳偉榮

[1]Gadian,A.;Dewsbury,J.Directional persistence of low wind speed observations.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2004,92(12):1061—1074.

[2] 張志英, 趙萍, 李銀鳳, 劉萬琨.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[3] 蒯狄正,李群, 江林.低風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究[J] 2009, 11(28): 4-10.

[4] 王清,許斌.安徽省風(fēng)力電場規(guī)劃[J].電力經(jīng)濟(jì)技術(shù),2006,12 (6): 48-50.

[5] 吳功高,葉中雄,姚明等.安徽電網(wǎng)接納風(fēng)電能力的分析研究[J].華東電力,2011, 39(6):997-999.

[6] 秦海巖.現(xiàn)階段我國風(fēng)電行業(yè)面臨的主要問題綜述[J].風(fēng)能,2012(12): 58-61.