黃權(quán)開 盧成志 劉永生 趙章樂 馬東

摘要：為了提高復(fù)雜地形風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)行時(shí)期的經(jīng)濟(jì)性，需要對風(fēng)能資源評估和微觀選址進(jìn)行研究。以安徽省東至風(fēng)電場項(xiàng)目為例，基于計(jì)算流體力學(xué)方法，提出了一種使用WT和WindPRO兩款風(fēng)資源專業(yè)軟件相結(jié)合的新方法。根據(jù)場區(qū)內(nèi)3座測風(fēng)塔實(shí)測完整年測風(fēng)數(shù)據(jù)，完成了場區(qū)風(fēng)能資源評價(jià)、風(fēng)能資源圖譜計(jì)算、發(fā)電量計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性比較，選出了性能及經(jīng)濟(jì)性均占優(yōu)的機(jī)型和布機(jī)方案。結(jié)果表明：① WT計(jì)算的風(fēng)能資源圖譜精確，最終的發(fā)電量計(jì)算結(jié)果較WindPRO計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際;② WindPRO在微觀選址和確定布機(jī)方案方面有很好的優(yōu)勢，為WT的發(fā)電量計(jì)算提供了良好的風(fēng)機(jī)坐標(biāo)。研究結(jié)果可為實(shí)際的工程設(shè)計(jì)工作提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

風(fēng)能資源評估; 微觀選址; WT; WindPRO; 復(fù)雜地形

中圖法分類號： TM614

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.015

0 引 言

發(fā)展持續(xù)可再生的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)越來越受到世界各國的重視，在風(fēng)電的開發(fā)和建設(shè)過程中，最基本的客觀條件是所開發(fā)的區(qū)域具有較豐富的風(fēng)能資源，風(fēng)速、風(fēng)向穩(wěn)定的特點(diǎn)才具備開發(fā)前景[1]。其中，風(fēng)能資源評估和風(fēng)電機(jī)組微觀選址是最重要的前期工作，確保對開發(fā)區(qū)域風(fēng)能資源充分合理利用。在風(fēng)能資源不斷開發(fā)的進(jìn)程中，風(fēng)電場規(guī)劃選址從最初的平坦地形（平原、戈壁灘）、風(fēng)速、風(fēng)向穩(wěn)定、易施工建設(shè)區(qū)域向地形復(fù)雜、影響因素多、開發(fā)難度大的區(qū)域延伸[2]。

風(fēng)資源評估的商業(yè)軟件中，WAsP及基于WAsP開發(fā)的WindPRO為代表的相關(guān)軟件適用于地勢平坦區(qū)域，對復(fù)雜地形的風(fēng)資源情況處理結(jié)果與實(shí)際工程應(yīng)用存在一定偏差。目前，我國已有學(xué)者對WAsP軟件的線性模型進(jìn)行改進(jìn)研究[3]，但仍缺乏專門解決復(fù)雜地形風(fēng)資源評估的非線性模型。Meteodyn WT（WT）軟件能對復(fù)雜地形風(fēng)能資源做較精確的評估，它是以計(jì)算流體力學(xué)（CFD）為核心方法來進(jìn)行建模評估復(fù)雜地形風(fēng)資源的專業(yè)軟件。實(shí)際工程中，WT對復(fù)雜山區(qū)的風(fēng)能資源評估與實(shí)際情況更為貼合，能很好保證復(fù)雜地形條件下計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，得到規(guī)劃場區(qū)的整體風(fēng)能資源情況。馮長青等[4]對WT 與WAsP的適用性進(jìn)行了研究，選擇3個(gè)復(fù)雜地形的風(fēng)電場進(jìn)行計(jì)算和對比，計(jì)算結(jié)果顯示W(wǎng)AsP對風(fēng)電場風(fēng)資源評價(jià)過高，WT對復(fù)雜地形的風(fēng)資源計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)測值，偏差較小，對風(fēng)電場的發(fā)電量預(yù)測具有更好的參考性。國內(nèi)學(xué)者和工程人員利用WT對河谷[5]、山區(qū)[6]等復(fù)雜地形的風(fēng)資源評估和微觀選址進(jìn)行研究，證實(shí)了WT能更準(zhǔn)確反映山地、河谷等復(fù)雜地形的風(fēng)能資源情況和更有助于開展風(fēng)電場的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。

本文基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，提出WT與WindPRO相結(jié)合的新方法，對復(fù)雜地形風(fēng)電場進(jìn)行風(fēng)能資源分析和微觀選址研究，并以東至山地風(fēng)電場的完整年測風(fēng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展實(shí)際工作。

1 計(jì)算方法和流程

WT進(jìn)行風(fēng)資源分析時(shí)，使用的計(jì)算流體力學(xué)方法是利用流體定常且不可壓縮模型[7-10] 求解邊界條件Navier-Stokes方程和連續(xù)方程來得出風(fēng)電場風(fēng)能資源分布網(wǎng)格。本文借助現(xiàn)有的風(fēng)能資源分析軟件WT開展風(fēng)能資源分析研究：第一步，輸入地形圖和粗糙度文件，輸入測風(fēng)塔坐標(biāo)，設(shè)定扇區(qū)數(shù)和計(jì)算精細(xì)度進(jìn)行定向計(jì)算得出場區(qū)空間點(diǎn)的風(fēng)流特征和場區(qū)的3D可視化圖譜。第二步，輸入測數(shù)據(jù)文件（包括風(fēng)速、風(fēng)向、標(biāo)準(zhǔn)偏差等數(shù)據(jù)）進(jìn)行單塔或多塔綜合計(jì)算得到風(fēng)資源網(wǎng)格圖譜[11]。第三步，輸入風(fēng)電機(jī)組坐標(biāo)進(jìn)行理論發(fā)電量計(jì)算。

另外，WindPRO軟件能很方便地實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場優(yōu)化選址和機(jī)位排布，并且可以直接使用WT軟件定向計(jì)算得出風(fēng)能資源圖譜，根據(jù)圖譜進(jìn)行布機(jī)優(yōu)化導(dǎo)出風(fēng)機(jī)點(diǎn)位，并且提供給WT軟件進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算。因此，當(dāng)進(jìn)行復(fù)雜山地的風(fēng)電場風(fēng)資源分析及微觀選址工作時(shí)，WindPRO軟件既能保證風(fēng)資源分析的精確性，又能提高便利性，提高工作效率。需要說明的是，在最后進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算時(shí)，WindPRO完成微觀選址后就可計(jì)算出發(fā)電量，而再用WT計(jì)算發(fā)電量的原因是復(fù)雜地形條件下選用WT可以盡量避免軟件計(jì)算產(chǎn)生誤差，WT的發(fā)電量計(jì)算結(jié)果更精確。方法實(shí)現(xiàn)的具體流程如圖1所示，通過該方法可對復(fù)雜山地風(fēng)電場進(jìn)行風(fēng)能資源評估與微觀選址。

整個(gè)過程需要注意的是，進(jìn)行場區(qū)風(fēng)資源圖譜定向計(jì)算的關(guān)鍵在于計(jì)算網(wǎng)格精度的劃分，網(wǎng)格劃分不當(dāng)會影響最終的定向計(jì)算結(jié)果。若網(wǎng)格水平分辨率設(shè)置過大會影響計(jì)算精度，導(dǎo)致最后進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算時(shí)出現(xiàn)較大誤差;設(shè)置過小又會使網(wǎng)格劃分過密，雖然對發(fā)電量影響不大但會使得定向時(shí)間過長，不利于工程的實(shí)際開展。為了確保計(jì)算精度以及不使計(jì)算時(shí)間過長，水平分辨率設(shè)置范圍在20～50 m，在此精度下最后的發(fā)電量計(jì)算變化較為穩(wěn)定，誤差在1%以內(nèi)[12]?？紤]到項(xiàng)目的實(shí)際情況，在復(fù)雜山地且規(guī)劃區(qū)域不大、計(jì)算時(shí)間限制較小的情況下，水平分辨率可以設(shè)置較小，在20～30 m即可。同時(shí)，在生成網(wǎng)格的過程中，可以對想提高計(jì)算精度區(qū)域（如地形復(fù)雜或主風(fēng)向區(qū)域）定義結(jié)果點(diǎn)，應(yīng)用最小水平分辨率進(jìn)行網(wǎng)格加密，確保區(qū)域準(zhǔn)確度，不同密度的網(wǎng)格示意如圖2所示。

布機(jī)方面，首先可以在WindPRO上進(jìn)行基于發(fā)電量最大化的軟件自動最優(yōu)排布，然后根據(jù)項(xiàng)目限制因素進(jìn)行人工手動調(diào)整機(jī)位，保證機(jī)組點(diǎn)位布置在場區(qū)范圍內(nèi)風(fēng)資源豐富區(qū)域。以上方法的具體過程通過下文風(fēng)能資源評估和微觀選址兩大部分展示。

2 風(fēng)能資源評估

場區(qū)的風(fēng)能資源評估的主要步驟有：分析場區(qū)概況、處理測風(fēng)數(shù)據(jù)（風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)功率密度、湍流強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)分析）、場區(qū)風(fēng)資源圖譜分析。

2.1 風(fēng)電場場區(qū)概況

該風(fēng)電場位面積約10 260 hm2，場區(qū)地處山地丘陵區(qū)，地形復(fù)雜，山脈基本呈南北走向，海拔高程在150～430 m。風(fēng)場范圍內(nèi)有村莊、農(nóng)田和林地分布，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建設(shè)主要利用荒山等地形復(fù)雜區(qū)域，風(fēng)電場規(guī)劃區(qū)域示意如圖3所示。

2.2 風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

風(fēng)電場內(nèi)設(shè)3座測風(fēng)塔，1號測風(fēng)塔位于場區(qū)北側(cè)，2號測風(fēng)塔位于場區(qū)西南側(cè)，3號測風(fēng)塔位于場區(qū)東南側(cè)，高度均為80 m，采用NRG測風(fēng)儀[13]。測風(fēng)塔概況如表1所列。

結(jié)合風(fēng)資源數(shù)據(jù)處理軟件Windographer，對風(fēng)電場測風(fēng)塔進(jìn)行一個(gè)連續(xù)完整年實(shí)測數(shù)據(jù)的處理和分析，得到各項(xiàng)資源參數(shù)計(jì)算結(jié)果。由于擬選風(fēng)機(jī)輪轂高度為90 m，因此在Windographer軟件上推測各塔90 m高度風(fēng)速與風(fēng)功率密度。對風(fēng)能資源初步評價(jià)如下：

（1） 80 m高度，3座測風(fēng)塔年平均風(fēng)速為5.44，5.64，5.39 m/s，風(fēng)功率密度為159，188，170 W/m2;

90 m高度，年平均風(fēng)速為5.54，5.74，5.51 m/s，風(fēng)功率密度為166，198，182 W/m2。風(fēng)功率密度等級為1級，具有一定的風(fēng)電開發(fā)價(jià)值[14]。

（2） 各測風(fēng)塔平均風(fēng)速變化波動較小，在

5～6 m/s之間，8月平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度最小。1號測風(fēng)塔2，7，9，11月風(fēng)功率密度相對較大;2，3號測風(fēng)塔9～10月風(fēng)功率密度相對較大[15]。平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度年變化情況如圖4～5所示。

日變化趨勢也基本一致，通常在10：00～16：00時(shí)，風(fēng)速較小，風(fēng)功率密度較低，在12：00，風(fēng)速、風(fēng)功率密度最低;在22：00～23：00，風(fēng)速較大，風(fēng)功率密度也較大。平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度日變化情況如圖6～7所示。

（3） 各測風(fēng)塔實(shí)測風(fēng)速在1.5～12.5 m/s區(qū)間最集中，占80%以上，風(fēng)能可利用風(fēng)速區(qū)間大，風(fēng)能質(zhì)量較好，風(fēng)速頻率密度分布如圖8所示。

（4） 各測風(fēng)塔主導(dǎo)風(fēng)向均為N～ENE及S，主導(dǎo)風(fēng)能方向均為N～ENE及S，且比較集中，有利于風(fēng)電場開發(fā)和建設(shè)，風(fēng)電場風(fēng)向玫瑰圖如圖9所示。

（5） 1，2，3號測風(fēng)塔10～80 m高度的湍流強(qiáng)度隨高度增加而減小。各測風(fēng)塔在80 m高度，15±0.5 m/s風(fēng)速區(qū)間，平均湍流強(qiáng)度分別為0.074，0.105，0.135。NRG測風(fēng)儀導(dǎo)出數(shù)據(jù)中有10 min平均風(fēng)速V和10 min風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。GB/T 18710-2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》中10 min湍流強(qiáng)度計(jì)算公式為

IT=σV （1）

式中：IT為湍流強(qiáng)度;

σ為10 min風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差，m/s;

V為10 min平均風(fēng)速，m/s。

通過上式可求得相應(yīng)區(qū)間的湍流強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下1，2，3號測風(fēng)塔90 m高度在50 a一遇最大風(fēng)速分別為35.5，35.8，35.4 m/s。根據(jù)IEC 61400-1風(fēng)電機(jī)組等級基本參數(shù)表[16]，1，2號測風(fēng)塔所輻射的區(qū)域可以選用IEC ⅢC類及以上等級風(fēng)電機(jī)組，3號測風(fēng)塔所輻射的區(qū)域可以選用IEC ⅢB類及以上等級風(fēng)電機(jī)組。

2.3 場區(qū)風(fēng)資源圖譜計(jì)算分析

在已經(jīng)取得的測風(fēng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，使用WT軟件對風(fēng)電場風(fēng)資源分布情況進(jìn)行分析計(jì)算。網(wǎng)格劃分方式為等步長25 m，水平分辨率25 m，垂直分辨率5 m，不進(jìn)行特定區(qū)域網(wǎng)格加密。輸入地形圖（實(shí)測1∶2 000與1∶10 000地形圖拼接）和粗糙度文件（WT自帶地理信息數(shù)據(jù)庫ESA_10arcsec_China粗糙度文件）定向計(jì)算，得到風(fēng)能資源分布如圖10～11所示。

圖中橙黃色為風(fēng)能資源較好的區(qū)域，風(fēng)速區(qū)間為4.7～6.6 m/s;藍(lán)紫色表示風(fēng)能資源較差的區(qū)域，風(fēng)速在2.8 m/s以下;總體來看，地勢較高的區(qū)域風(fēng)能資源較豐富。

3 微觀選址

風(fēng)電場的微觀選址工作，包括風(fēng)電機(jī)組選型、擬定機(jī)組布機(jī)方案以及風(fēng)電場發(fā)電量計(jì)算并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，確定最終布機(jī)方案。

3.1 機(jī)組選型

為了更好地與實(shí)際風(fēng)電場產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益，機(jī)組選型應(yīng)適應(yīng)各風(fēng)機(jī)點(diǎn)位的分布特性和滿足并網(wǎng)要求。根據(jù)風(fēng)電場區(qū)風(fēng)能資源分布情況，場區(qū)內(nèi)適宜布置風(fēng)機(jī)的區(qū)域有限，單機(jī)容量較大的機(jī)型更符合選型要求。2 000～2 500 kW級的風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化程度高，技術(shù)成熟，許多具備了低電壓穿越功能，變槳距控制技術(shù)也很成熟，機(jī)組成本和建設(shè)投資適中[17]。因此，機(jī)型的單機(jī)容量選擇主要考慮輪轂高度為90 m 的2 000～2 500 kW級機(jī)組。

根據(jù)以上分析和該風(fēng)電場的工程特性，初步選擇了4 個(gè)輪轂高度為90 m，不同型號的風(fēng)電機(jī)組：WTG1、WTG2、WTG3、WTG4。直驅(qū)型機(jī)組為WTG1（2 000 kW）和WTG4（2 500 kW）;雙饋型機(jī)組為WTG2（2 000 kW）和WTG3（2200 kW），各風(fēng)電機(jī)組功率曲線如圖12所示。

通過功率曲線對比可知，單機(jī)容量為2 000 kW的WTG1機(jī)組在3～6 m/s低風(fēng)速段功率曲線性能較好，根據(jù)測風(fēng)數(shù)據(jù)可知風(fēng)電場年平均風(fēng)速集中在5～6 m/s，機(jī)組發(fā)電特性與風(fēng)場適應(yīng)度較高，WTG4切出風(fēng)速較高。

3.2 機(jī)組布機(jī)方案

機(jī)組的布機(jī)利用WindPRO軟件計(jì)算風(fēng)能資源圖譜并且進(jìn)行相關(guān)布機(jī)操作。

該項(xiàng)目規(guī)劃裝機(jī)容量150 MW，風(fēng)能資源分布情況和具體地形條件是布機(jī)的依據(jù)。布機(jī)時(shí)，在風(fēng)電機(jī)組垂直于主導(dǎo)風(fēng)能方向上按照機(jī)組行距、列距間隔分別為5～9倍風(fēng)輪直徑和3～5倍風(fēng)輪直徑的要求進(jìn)行布機(jī)，其目的是兼顧單機(jī)發(fā)電量和風(fēng)電機(jī)組間的相互影響。最終擬定3種風(fēng)電機(jī)組布置方案：即布置75臺單機(jī)容量2 000 kW風(fēng)電機(jī)組的方案：68臺單機(jī)容量2 200 kW風(fēng)電機(jī)組的方案;60臺單機(jī)容量2 500 kW風(fēng)電機(jī)組的方案，分別如圖13～15所示。

3.3 發(fā)電量計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性比較

在WindPRO軟件上導(dǎo)出3種布機(jī)方案的風(fēng)機(jī)坐標(biāo)后，利用WT軟件進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，得到各機(jī)型的發(fā)電量。在進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算的工程中，考慮尾流損失算得年理論上網(wǎng)電量，然后考慮實(shí)際運(yùn)行中的能量損失[18]（尾流、空氣密度、控制和湍流、軟件計(jì)算誤差等）得出綜合折減系數(shù)為0.752，從而算得年實(shí)際上網(wǎng)電量和年等效利用小時(shí)數(shù)，最后進(jìn)行各方案經(jīng)濟(jì)性比較，詳細(xì)比較如表2所列。

在進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算的工作中，對上文假設(shè)“WindPRO軟件發(fā)電量計(jì)算結(jié)果較高”進(jìn)行驗(yàn)證。利用WindPRO軟件計(jì)算風(fēng)電場發(fā)電量，結(jié)果如表3所列。

通過對比可得，WindPRO的計(jì)算結(jié)果較WT計(jì)算所得發(fā)電量高。當(dāng)發(fā)電量評價(jià)過高且待建設(shè)的風(fēng)電場達(dá)不到預(yù)期發(fā)電量時(shí)，會給工程項(xiàng)目帶來非常大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文所選擇的工程實(shí)例分析以WT的計(jì)算結(jié)果為參考。

WT計(jì)算結(jié)果中，WTG1機(jī)型方案年上網(wǎng)電量最高，說明其在該低風(fēng)速型風(fēng)電場對風(fēng)能的捕獲性能較好，更適合該風(fēng)電場。從單位度電成本來看，WTG1機(jī)型單位度電投資最低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)排序第1。

因此，推薦選用WTG1機(jī)型方案，風(fēng)電場共布置75臺單機(jī)容量2 000 kW、葉輪直徑121 m、輪轂高度90 m的WTG1型風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電場年上網(wǎng)電量為29 190萬kW·h，布機(jī)方案即為75臺2 000 kW機(jī)組布置方案。

4 結(jié) 語

本文以安徽省東至復(fù)雜地形山地風(fēng)電場為實(shí)例，對提出的WT、WindPRO軟件聯(lián)合使用進(jìn)行復(fù)雜地形山地風(fēng)能資源評估和微觀選擇方法展開具體研究。該方法對實(shí)際的工程設(shè)計(jì)工作效果很好，并且工作量不大，計(jì)算結(jié)果合乎實(shí)際情況，簡單易行。本文提出的新方法主要在以下兩方面展開應(yīng)用。

（1） 風(fēng)能資源評估方面。對風(fēng)電場場區(qū)概況進(jìn)行了客觀的分析，并結(jié)合收集到的測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)能資源初步評價(jià)之后，利用WT軟件進(jìn)行場區(qū)風(fēng)資源計(jì)算，得到合理的場區(qū)風(fēng)資源圖譜。

（2） 微觀選址方面。依照得到的風(fēng)資源圖譜在WindPRO軟件上對備選機(jī)型擬定3種布機(jī)方案;最后通過WT軟件對各方案的發(fā)電量計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性比較，確定了適合該風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組型號和布機(jī)方案，為實(shí)際建設(shè)提供參考。

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（編輯：劉 媛）

Wind energy assessment and micrositing on wind farm based on WT and WindPRO

HUANG Quankai1，2，LU Chengzhi 2，LIU Yongsheng1，ZHAO Zhangle2，MA Dong2

（1.Institute of Solar Energy，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China; 2.Huadian Electric Power Research Institute Co.，Ltd，Hangzhou 310030，China）

Abstract：

In order to improve the economics during the construction and operation of wind farms of complex terrain，it is necessary to conduct research on wind energy resource assessment and micrositing.Taking the Dongzhi wind farm project in Anhui Province as an example，based on the computational fluid dynamics method，a new method using the combination of WT and WindPRO two professional software of wind resource is proposed.Based on the complete annual wind measurement data of the three wind measurement towers in the field，the wind energy resource evaluation，wind energy resource map drawing，power generation calculation and economic comparison are completed，and the wind turbines possessing superior performance and economic efficiency are selected.The results show that：①The wind energy resource map calculated by WT is accurate，and the final power generation calculation result is closer to reality than WindPRO′s results;②WindPRO has good advantages in wind turbines micrositing and layout scheme，it provides good wind turbine coordinates for WT′s power generation calculation.The research results can provide references for actual engineering design work.

Key words：

wind energy resource assessment;micrositing;WT;WindPRO;complex terrain