任臘春，李良縣

（中國水電顧問集團 成都勘測設計研究院，成都 610072）

近年來我國風電得到迅猛發(fā)展，2012年底風電裝機容量為75 324.2MW，位列世界第一［1］。隨著風電設備制造、勘測設計技術的發(fā)展，我國風電發(fā)展路徑由集中開發(fā)轉變?yōu)榧虚_發(fā)與分散開發(fā)相結合，風電開發(fā)區(qū)域也由風能資源好、地形地貌簡單的“三北”地區(qū)轉向低風速、高海拔、地形復雜的山區(qū)［2］，河流峽谷風電場又是山區(qū)風電場的一個特例。

本文以成都勘測設計研究院承擔的已建成投產的四川省乃至國內唯一一座峽谷風電場——德昌安寧河峽谷風電場為例，對峽谷風電場的風能資源評估和微觀選址等設計關鍵技術進行分析，希望能為同類風電場設計提供一些參考。

1 工程簡介

四川省德昌安寧河峽谷風電場示范工程是四川省第一個建成發(fā)電的峽谷風電場項目，場址區(qū)域屬高原河谷地帶，地形北高南低，南北長14km，東西寬3km，海拔高度在1 380～1 560m；場址東西兩側分別為螺髻山與耗牛山，海拔均超過3 000m，中間是安寧河，形成狹管，使得區(qū)域內風速狹管效應明顯，大風頻繁，風能資源相對較豐富；場區(qū)內還存在西攀高速公路、國道G108、成昆鐵路、高壓輸電通道及分散民房等。

風電場的勘測設計工作主要包括場址地質勘查、風能資源評估、微觀選址、電氣設計、土建設計、工程概算、財務評價等。由于該峽谷風電場的風能資源受地形地貌影響大，不均勻性十分明顯，并且所在地區(qū)人類活動頻繁，存在較多制約風電機組布置的因素，選擇經濟技術指標相對較優(yōu)的風電機組以及布置位置就顯得尤為重要。因此，本文重點對峽谷風電場的風能資源評估、微觀選址等進行分析。

2 風能資源評估

風電場所在區(qū)域屬于以亞熱帶高原季風為基帶的立體氣候，加上東西兩側高山形成的狹管效應明顯，風能資源具有開發(fā)價值。風電場主風向與河流走向基本一致，但局部受地形、地面附著物、兩側高山和氣候等影響，場址區(qū)域內風速、風向可能差異較大。因此，準確掌握區(qū)域內風能資源分布情況，對風電場工程設計起著決定性作用［4］。

2.1 設置測風斷面

風電場場址區(qū)域南北長為14km，東西最寬處為3km，最窄處僅為1km，且東西海拔高度差最大處為200m；部分區(qū)域有伸向河中心的高臺地。針對這一特殊地形地貌，考慮在場址區(qū)域內設置3個東西向斷面，每個斷面間隔約4km?？紤]與兩側高山、河谷中心線的關系，以及東西向的寬度、高度等因素，在上中斷面各設立1座70m和1座30m測風塔；下斷面設立1座70m、2座30m測風塔，各測風塔不同高度處設置風速風向儀器。目前已收集到這7座測風塔2008年8月至2011年7月的測風塔數據。各測風塔位置及3年測風情況見表1。

表1 各測風塔位置及3年測風情況

經過對各測風塔3年的風速等參數進行分析，各測風塔各自不同高度測風數據的相關關系較好，相關系數均達到0.813以上；由于地形等影響，風切變指數值較大，均在0.12以上，且隨著高度增加而減小，這是因為隨高度增加風速受地面附著物及地形的影響逐漸減小，說明離地面一定高度后風速更能反映區(qū)域資源的實際情況；各測風塔之間的相關性均較差，風切變系數相差也較大；測風塔同高度風速差異明顯，河谷較窄處的風速相對較好，區(qū)域靠近兩側高山處風速較小，風向穩(wěn)定性相對較差，靠近河谷中心線處風速較大。這說明受地形、地貌、地面附著物等多種因素影響，同一場址區(qū)域即使很近的地方風能資源分布可能存在較大差異。鑒于此，有必要對風電場區(qū)域進行分片區(qū)風能資源評估。

2.2 分片區(qū)進行風能資源評估

為了更準確地反映風能資源分布情況，為后續(xù)風電機組布置提供依據，在進行風能資源評估時做了多種方案：利用區(qū)域內各塔測風數據分別對整個區(qū)域進行風能資源評估；相鄰的（包括橫向和縱向）2個測風塔同時計算分析所控制片區(qū)風能資源分布；區(qū)域內各塔分別對所控制的片區(qū)進行風能資源分析評估。

經過分析對比發(fā)現，同一個片區(qū)采用不同的測風塔測風數據來評估所得到的風能資源分布都不一樣，但在多次計算分析中發(fā)現，各片區(qū)風能資源的相對關系基本一致，能一定程度上反映各片區(qū)風能資源的分布情況。因此，在最后分析評估時采取各測風塔分別計算所在片區(qū)的風能資源的方法。

本示范工程采用其中的兩個片區(qū)進行風能資源評估，各機位處風能資源特征參數見表2，表2中輪轂高度為70m。

表2 各機位處風能資源特征參數

根據測風塔的測風數據計算分析及資源評估結果可知，風電場的主風向和主風能方向基本一致，以南南西（SSW）風和北北東（NNE）風的風速、風能最大和頻次最高，其中南南西（SSW）風的風速、風能占比分別為24.55%、25.72%，北北東（NNE）風的風速、風能占比分別為22.76%、24.56%，并且主風向穩(wěn)定，基本與河流方向一致。年內大風月集中在1～5月，小風月集中在7～9月；每天12：00～13：00風速開始加大，在16：00風速達到最大，然后逐漸減小，至凌晨最小。區(qū)域內河谷狹窄處、靠近河谷中心線處風能資源好，反之則風能資源一般或較差。

3 微觀選址

風電場微觀選址是整個風電場建設、運行的重要環(huán)節(jié)，也是風電場取得良好經濟效益的關鍵［4］。微觀選址是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及風能資源、地質、機組布置、設備運輸及安裝等［5］。而機組選型、機組優(yōu)化布置、發(fā)電量估算等又是微觀選址工作的中心內容及評判依據。

3.1 機組選型

對于風電場風能資源評估結果（包括極端風速、參考風速、年平均風速、湍流強度等），根據《風力發(fā)電機組安全要求》（GB 18451.1—2005）可判斷該風電場適合選用IECⅢ類風電機組。目前，風電機組主要有雙饋式風電機組和直驅式風電機組，后者較前者具有結構簡單、技術較先進、可靠性高、噪聲小、運行維護成本低、容易實現低電壓穿越和低風速發(fā)電效率相對較高等優(yōu)點［6］。因此，風電場在參選機型時考慮了上述兩種。各參選機型的技術經濟比較結果見表3。

表3 各參選機型的技術經濟比較結果

由表3可見，綜合考慮了主流風電機組特性，結合風電場的風況特征、安全等級要求，現場交通運輸條件、地質條件、施工安裝條件等因素，對多種機型進行比較。對參選機型進行技術比較時，著重關注機型的型式認證、功率曲線認證、電壓控制、有功無功控制、頻率和諧波等特性，在經濟比較時主要考慮設備及安裝工程、建筑工程等方面。

經分析計算，風電場最終選擇了低風速直驅式風電機組（WTG5）。

3.2 機組優(yōu)化布置

風電場風電機組的布置主要是根據場址風能資源分布情況和場址建設條件確定。由于該風電場機組布置受限制因素較多（有較多少數民族居民房屋、高速公路、鐵路、高壓輸電線路等），即使在地質條件較好的情況下也難以直接采用專業(yè)的軟件進行布置方案的確定。

因此，在布置機組時優(yōu)先考慮風能資源好的位置，然后根據以下限制條件對機組位置進行經濟性優(yōu)化。

1）風電場各機組間尾流及規(guī)劃的后續(xù)風電場機組與本風電場的機組間的尾流損失按10%控制。

2）考慮機組運行噪聲可能對居民生產生活的影響，經計算，機組位置離居民房屋應超過160m。

3）考慮機組與鐵路、高速公路、輸電及通信線路的安全距離，按照塔筒高度和葉片長度之和來控制。

4）部分機組位置由于風能資源較好，但是可能位于高臺地上，則按照機組與臺地邊坡穩(wěn)定性均不受影響來控制，經計算機組位置與邊坡的距離為70m。

5）由于靠近兩側高山處風向穩(wěn)定性較差，為減少紊流對機組運行可靠性產生影響，布置機組時設定了機組位置與高山的凈距離限制，設計時采用400m。

此外，為了充分利用區(qū)域風能資源，相對弱化各風電機組的間距要求，部分機組位置間的直線距離按照機組與鐵路等的安全距離考慮。

3.3 發(fā)電量估算

3.3.1 微觀選址流程

根據優(yōu)化結果的各機組位置坐標，利用GPS到現場踏勘定點，根據現場的地形地貌、地質和施工安裝條件對機組位置進行微調，并利用GPS測得新坐標，然后再將現場的定點坐標作為新的機位坐標進行后續(xù)發(fā)電量、湍流強度、極端風速、入流角等參數進行復核，然后重復上述過程直至滿足要求。

3.3.2 最終方案發(fā)電量估算

根據微觀選址的機位坐標，并結合選型確定的風電機組技術參數、風能資源評估結果，采用黏性渦漩尾流模型對風電場每臺風電機組發(fā)電量及尾流損失進行精確計算?？紤]風電場發(fā)電量的各種折減系數，利用專業(yè)軟件meteodyn WT計算風電場年平均發(fā)電量、年等效利用小時數、容量系數。

本風電場各機組能量指標計算結果見表4。

表4 各機組能量指標計算結果

4 工程設計效果

德昌安寧河峽谷風電場從并網發(fā)電近兩年，從目前的運行情況來看，所采用的風電機組故障率很低、可靠性相對較高，可利用率在98%左右，這說明設計所選用的風電機組以及機組的布置基本合理，有效保證了風電機組安全。

上網電量是衡量風電場各方面成功與否的關鍵內容。表5給出了風電場投產以來的風速和發(fā)電量等參數。由于風電機組機艙上測風儀所測數據不能完全反映實際風速情況，在此僅以發(fā)電量來說明，以2012年為例，實際上網電量和利用小時均高出設計值約20%?？紤]到運行初期風電場各項折減系數基本都優(yōu)于設計取值，這里暫考慮在此基礎上再折減15%作為實際多年平均值，得到的實際多年發(fā)電量為3 278kWh，高于設計實際發(fā)電量值。因此，從發(fā)電量的角度來看，風電場實際運行效果也基本達到設計預期。

5 結論

本文以四川省首個峽谷示范風電場為例，分析說明該類風電場風能資源分布特性，并對峽谷風電場的工程設計關鍵技術——風能資源評估和微觀選址進行探討。風電場工程設計效果初步達到了設計預期，說明該峽谷風電場設計所采取的分析計算方法基本合理，設計經驗對同類風電場勘測設計具有一定的借鑒參考價值。

［1］中國風能協(xié)會.2012年中國風電裝機容量統(tǒng)計報告［A］.2013，3.

［2］國家能源局.可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃［A］.2012，8.

［3］曹云，孫華.風電場規(guī)劃設計與施工［M］.北京：水利水電出版社，2009.

［4］何一.德昌安寧河谷風電場風能資源評估［J］.水電站設計，2011（4）：83－86.

［5］連捷.風電場風能資源評估及微觀選址［J］.電力勘測設計，2007（2）：71－73.

［6］田迅等.德昌安寧河峽谷風電場機組選型的技術經濟分析［A］.中國風電技術發(fā)展研究報告［C］，2008.

表5 風電場設計發(fā)電量與實際發(fā)電量對比