摘 要：受部分山區(qū)地形復(fù)雜的影響，風電場微觀選址工作面臨很多困難。為解決復(fù)雜地形風電場微觀選址過程中個別風電機組的實際發(fā)電能力嚴重低于設(shè)計值等問題，基于CFD數(shù)值模擬，提出利用冗余機位對發(fā)電量偏低的風電機組進行移位改造的選址測算方法。選取黑龍江省某山地風電場改造后的實際發(fā)電效率進行比對驗證，結(jié)果表明，該方法簡單有效，能夠準確模擬測算風電場及其周圍可再生資源情況，對復(fù)雜山區(qū)地形下風電場的微觀選址具有理論參考價值。

關(guān)鍵詞：風電場;微觀選址;復(fù)雜地形;發(fā)電效率

0 ? ?引言

隨著世界范圍內(nèi)可再生能源的迅速發(fā)展，風能作為最具發(fā)展前景的清潔能源之一受到廣泛關(guān)注[1]。風力發(fā)電技術(shù)以其獨有的優(yōu)點發(fā)展迅速，我國風電機組的裝機容量也呈指數(shù)型的爆炸式增長模式，截至2019年底，我國并網(wǎng)風電裝機容量達21 005萬kW[2]。隨著風電場規(guī)模的不斷增大，風電場的微觀選址、移位改造和機組的合理布局對提高風電場的發(fā)電效率、合理利用風能資源、正確預(yù)測機組發(fā)電能力等具有重要意義[3]，在一定程度上也可提高風電場的并網(wǎng)能力，保證電力經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[3]。

考慮到風電場選址一般為復(fù)雜的山地，需計及高低起伏變化的地面效應(yīng)對發(fā)電效率產(chǎn)生的影響[4]，同時復(fù)雜地形上的風電場較戈壁灘單一地形相比，其脊谷交錯、地勢起伏，局部的山谷對發(fā)電效率的影響比較顯著[5]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對復(fù)雜地形的風電場微觀選址問題進行了相關(guān)的研究[6-9]，如利用再分析數(shù)據(jù)法，模擬風向?qū)︼L機布置的影響[10];較為細致地對機位優(yōu)化、尾流問題進行了理論研究[11]等。但上述研究僅停留在理論研究與模擬階段，通過實地勘驗，在現(xiàn)實中復(fù)雜地形風電場微觀選址的過程中還存在許多問題，如測風塔、等高線等其他限制因素[4]。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD數(shù)值模擬方法[12]能夠較好地再現(xiàn)流體環(huán)繞復(fù)雜幾何的流動狀況，這種新型的方法被越來越多地應(yīng)用于復(fù)雜地形的風電場微觀選址問題的研究上。文獻[13]表明CFD數(shù)值模擬方法能夠?qū)?fù)雜地形甚至極端陡峭地形下的風場的流體狀況進行模擬;文獻[14]采用CFD模擬再現(xiàn)實際地形中的風電場，分析網(wǎng)格、湍流模型的不同對風旋渦位置與速度分布的影響;文獻[15]利用CFD分析軟件模擬峽谷地形中的風流動規(guī)律。目前利用CFD數(shù)值模擬分析風電場的微觀選址問題的研究仍處于起步階段，對山坡、山丘、脊谷等方面還需要進一步的研究。

本文基于CFD數(shù)值模擬，提出利用冗余機位對發(fā)電量偏低的風電機組進行移位改造的選址測算方法。選取黑龍江省某山地風電場改造后的實際發(fā)電效率進行比對驗證，結(jié)果表明，該方法簡單有效，能夠準確模擬測算風電場及其周圍可再生資源的情況，對復(fù)雜山區(qū)地形下風電場的微觀選址具有理論參考價值。

1 ? ?CFD數(shù)值模擬法

1.1 ? ?流動控制方程

基于雷諾時均的質(zhì)量與動量守恒方程如下：

式中：ρ為流體密度;t為時間;xi、xj分別為i、j方向上的坐標;μi、μj分別為流體速度沿i、j方向上的分量;p為靜壓力;τij為應(yīng)力矢量;gi為i方向上的重力分量;Fi為由壓力和能源而引起的其他能源項。

1.2 ? 湍流模型

利用網(wǎng)格（Gigid）對風力機進行數(shù)值計算，選擇RNC k-ε湍流模型，該模型能夠適用于旋轉(zhuǎn)流場的分析與建模。RNC k-ε湍流模型如下：

式中：k為湍流動能;ε為湍流動能耗散率;Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能;Gb為由浮力而產(chǎn)生的湍流動能;YM為在可壓縮湍流中過度擴散產(chǎn)生的波動;αk、αε分別為k方程和ε方程的普朗特常數(shù);C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù);Sk、Sε為修正系數(shù)。

與標準k-ε湍流模型不同，RNC k-ε湍流模型增加了考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析式，在添加約束條件的同時，考慮湍流旋渦，并將標準k-ε湍流模型中的變量變?yōu)橥牧髌绽侍爻?shù)提供的解析式，有效提高了計算精度，使得RNC k-ε湍流模型更加適用于旋轉(zhuǎn)流場分析。

2 ? ?實例分析

2.1 ? ?算例概況

黑龍江省某山地風電場如圖1所示，地形起伏較大，地面高程為170～357 m的低山丘陵。風電場一期工程于2004年6月開展測風工作，2007年核準開工建設(shè)，裝機容量49.5 MW，安裝33臺FD-70B/1500型風力發(fā)電機組，2008年首臺機組發(fā)電，2009年9月全部機組并網(wǎng)發(fā)電。自投運以來，#20風電機組的年發(fā)電量只有212萬kWh，僅為微觀選址的理論發(fā)電量的65.9%，相當于風電場單機年平均發(fā)電量的66%左右，嚴重偏離設(shè)計值，且故障率相對較高（處于山坡邊緣，風速不穩(wěn)定，湍流強度大）。為提升該風電機組的發(fā)電能力，改善其運行環(huán)境，于2012年對其進行了移位改造。

根據(jù)風電場微觀選址報告，風電場主導(dǎo)風向為西風，風電場微觀選址布機情況如圖2所示。由圖可見，#20風機處于主風向山脈東側(cè)，且海拔高度低于西側(cè)山脈70多m，前后兩排最近距離只有600 m，造成該位置風速明顯小于設(shè)計風速，且風電機中心位置距山坡邊緣約30 m，山谷深度約85 m，坡度約65°。實際運行后風速極不穩(wěn)定，導(dǎo)致該機組故障較多。

#20機組年實際運行對比情況如表1所示。

由表中數(shù)據(jù)可見，無論風速還是發(fā)電量，#20風電機組都與風電場平均值偏差較大。該風電機組年可利用率93.20%，低于全風電場年可利用率97.80%的水平?？紤]剔除該風電機組可利用率不同的影響，這里將該機組的年可利用率按風電場平均值進行修正，修正后的年發(fā)電量2 240 MWh，與風電場平均發(fā)電量的相對值為70.20%。主要原因是微觀選址等方面存在問題，具體如下：

（1）當時的微觀選址軟件處理復(fù)雜地形能力不足。當時采用的微觀選址軟件為WASP，軟件地形模型算法簡單，沒有CFD功能，處理山地風電場湍流問題存在一定困難，特別是應(yīng)對一些復(fù)雜地形更顯不足。

（2）地形圖數(shù)據(jù)精度不高。當時用的是1：10 000的數(shù)字地形圖，由于精度不高，不能充分反映現(xiàn)場地形的復(fù)雜狀況。

（3）設(shè)計選址人員經(jīng)驗不足。選址人員沒有充分考慮#20機位處于地勢變化較大的山谷邊緣，造成該機位湍流強度大，風速不穩(wěn)定，同時也沒有避開主風向前方山峰的遮擋。

（4）測風數(shù)據(jù)代表性不強。測風塔的位置不在風電場區(qū)域內(nèi)，測風塔的高度只有50 m，小于輪轂高度65 m，測風塔的位置海拔較低。

2.2 ? ?方案設(shè)計

依據(jù)風電場微觀選址報告，當時初步選擇時有44個機位，首先從中選定了3個備選機位，位置情況如圖3所示。3個備選機位的微觀選址情況如表2所示，3個備選機位中，備選一，平臺狹小，離附近機位距離近，地勢陡峭，且處于主風向下方;備選二，離周圍風機距離較近，它的尾流對其后方3臺機組的影響較大;備選三，地勢平坦，平臺面積大，地形與附近機組相似，且只會對其后面1臺機組造成尾流影響。

利用風電場近兩年實際運行數(shù)據(jù)，對選定的3個備選機位，利用其臨近機組年發(fā)電量數(shù)據(jù)進行了比對分析，如表3所示。

通過計算結(jié)果比對，并根據(jù)現(xiàn)場地形情況，最終確認將#20風電機組移位至#33風機附近的備選三號機位。安裝于新機位的#20風電機組年發(fā)電量約290萬kWh，風電機移位后比原機位每年多發(fā)電78萬kWh，發(fā)電能力提升了36.8%。各機組發(fā)電量通過下式計算：

式中：W為新機位年理論發(fā)電量;k為修正系數(shù)（考慮機組性能差異、風資源水平年差異因素影響修正值，建議取值0.9～1.0，本例中選取0.95）;Ws為備選機位臨近機組年實際發(fā)電量;Wb為微觀選址年發(fā)電量;Wl為備選機位臨近機組年理論設(shè)計發(fā)電量。

由于當初項目已經(jīng)多征用了11個機位的土地，集電線路設(shè)計也存在冗余，3個備選機位在道路、風機及箱變基礎(chǔ)、機組拆除和安裝、集電線路等方面施工條件相近，施工費用近似相同，所以在點位選擇時僅考慮發(fā)電量最優(yōu)方案即可。

2.3 ? ?實施過程

對#20風電機組進行了移位改造。主要工作包括：新建一段道路、一個風電機組和機組變壓器基礎(chǔ)，風電機組的拆除和重新安裝，電纜、光纜的敷設(shè)。工期2個月，改造費用合計136萬元。

2.4 ? ?改造效果

項目實施后效果明顯。對改造后6年的數(shù)據(jù)進行分析，年平均風速6.72 m/s，年平均發(fā)電量288萬kWh，年增加發(fā)電量76萬kWh，年增加收入46萬元，累計增收278萬元。

該機位風速穩(wěn)定，每年可利用率都在95%以上，平均年可利用率97.4%，風電機故障停機次數(shù)減少60%。移位后，原#20機位附近的#19風電機組發(fā)電量也得到了一定提升。

3 ? ?結(jié)語

這次移位改造的實際運行情況和改造方案的理論計算十分接近，主要原因如下：一是熟悉現(xiàn)場的風資源及地形狀況，掌握了第一手資料;二是本文比對計算法雖然簡單，卻消除了風資源、地形等因素的影響，將不同位置風機發(fā)電量與風速的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為發(fā)電量與臨近風機發(fā)電量的線性關(guān)系。由于微觀選址工作至關(guān)重要，直接關(guān)系到風電項目收益，必須高度重視，尤其是復(fù)雜地形的情形。要選用合適的選址工具軟件，具備CFD功能，能夠很好地處理復(fù)雜地形;要有高精度的地形圖（地勢平坦1：5 000，地形陡峭復(fù)雜1：2 000）;具有代表性的測風數(shù)據(jù)，測風塔一定在開發(fā)區(qū)域內(nèi)，且位置具有代表性，測風塔的高度大于輪轂高度，測風塔的數(shù)量要足夠;由經(jīng)驗豐富的人員開展微觀選址工作。一旦出現(xiàn)因微觀選址問題導(dǎo)致發(fā)電量偏低的機組，要盡早采取有效措施對其進行移位改造。制定移位改造方案時，應(yīng)結(jié)合風電場實際情況，利用現(xiàn)有風電機組實際的風速和發(fā)電量數(shù)據(jù)，采用有效方法，提高移位改造的經(jīng)濟性。

[參考文獻]

[1] 劉振亞.構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng) 推動能源清潔綠色發(fā)展[J].華北電業(yè)，2015（6）：4-7.

[2] 王恰.中國風電產(chǎn)業(yè)40年發(fā)展成就與展望[J].中國能源，2020，42（9）：28-32.

[3] SONG M X，CHEN K，WANG J.A Two-level Approach for Three-dimensional Micro-siting Optimization of Large-scale Wind Farms[J/OL].Energy，2020，190.[2020-12-13].https：//doi.org/10.1016/j.energy.2019.116340.

[4] 王紅光，趙海軍，段曉輝.復(fù)雜地形風電場微觀選址實踐探討[J].南方能源建設(shè)，2019，6（2）：59-63.

[5] 左薇，李惠民，芮曉明，等.風電場山坡地形的數(shù)值模擬研究[J].太陽能學(xué)報，2019，40（5）：1441-1447.

[6] 王潔，許昌，韓星星，等.基于風力機尾流排斥的平坦地形風電場微觀選址優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動化，2020，44（15）：62-69.

[7] 李俊凱，葛瑩，鮑倩，等.利用地理場景的風電場微觀智能選址方法[J].測繪科學(xué)，2020，45（4）：199-206.

[8] 李巖，吳迪，劉懷西，等.海上風電場微觀選址及輸電線路規(guī)劃研究[J].風能，2019（10）：58-63.

[9] 張文靜.風電場選址探究[J].湖北農(nóng)機化，2019（13）：83.

[10] 蔡彥楓，王海龍，周川，等.風向?qū)V東海上風電場風機布置的影響[J].南方能源建設(shè)，2016，3（4）：113-118.

[11] 許昌，楊建川，李辰奇，等.復(fù)雜地形風電場微觀選址優(yōu)化[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33（31）：58-64.

[12] 牟林，董書寧，鄭士田，等.基于CFD-DEM耦合模型的阻水墻建造過程數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)報：1-11（2020-

10-27）[2020-12-13].https：//kns.cnki.net/kcms/

detail/detail.aspx？dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&-

filename=YTGC20201026004&v=ry1MXR9JKJajihGeUOG3-

WTkTKfl7G3-dg63FNqLzwuOCcuUqWUeGqQsU0c3k9OOCk.

[13] 楊昆，姜婷婷，朱金奎，等.大規(guī)模風電場實際尾流分析與算法研究[C]//第七屆中國風電后市場交流合作大會論文集，2020：81-86.

[14] 李磊，張立杰，張寧，等.FLUENT在復(fù)雜地形風場精細模擬中的應(yīng)用研究[J].高原氣象，2010，29（3）：621-628.

[15] 霍相五.高墩波形鋼腹板PC箱梁橋施工期峽谷地形風致響應(yīng)研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2019.

收稿日期：2020-12-16

作者簡介：陳國光（1970—），男，黑龍江拜泉人，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)和風力發(fā)電項目前期、基建、運行管理工作。