作者：李 斌，张宇时

(1.辽宁大唐国际新能源有限公司，辽宁 沈阳 110001；2.国网辽宁电力调度控制中心，辽宁 沈阳 110000)
 

 

高风速风电资源区域逐渐减少，促使风电市场向低风速资源的急速转变，为此提出低风速风电场资源开发方案。通对整个风电场建设周期全局掌控，分析了投产数据、微观选址、机型比选、产能评估等各阶段的技术方案，应用具体实例指出低效产能的原因。通过探讨提高低风速风电场开发的可行性，得出：加强对低风速项目的准确评估，制定针对性的技术开发方案成为低风速风电场开发的效益衡量标准提升的有效途径。与优质风资源区域相比，低风速风电场设计需要在项目建设的每个环节都依靠精准的数据支持，包括前期测风阶段，数据处理阶段，点位布置阶段，选型招标阶，优化设计阶段，运行维护阶段等，每个环节效益均影响最终项目收益，对于低风速区域的项目开发重点在于加强选址深度，加强前期技术投入，促使低风速资源地区的开发具有更高的产能和效益。

低风速；尾流模型；风电场；风电场微观选址优化

0 引言

目前，我国的风电发展形势以大规模风电为主，风电资源主要分布在风资源较为丰富的东南沿海及“三北”地区，而风电技术的不断发展也使低风速区域具备了开发价值[1-4]。在风资源条件较差的地区，一般采取安全条件下增大叶轮和提高塔筒高度的物理方式[5]，同时注重风机排布密度，尽量减少尾流影响等因素影响[6]，保持风机长时间运转在低风速状态下具有高效输出，配合适应低风速区域大功率机型[7]，保障低风速风机高效输出。

本文以某一典型低风速风电场为依托，以充分掌握场区的地貌和风况特征为前提，重点调研从低风速风电场的前期测风塔选址、测风数据分析、风机微观选址布置及机型比选的综合比对等多的环节严格把控选址技术，通过建立风场模型确定逐台风机发电参数进行比对，选择最为适合的风力发电机组资源位置进行逐台移位分析，同时在机型选取中分析混排机组对产能效益的影响，降低资源部确定度的影响，加强微观选址深度及优化布置方案，提高低风速风电场的开发价值和投资回报率。

1 低风速风电场项目开发的影响因素

在低风速地区进行风资源开发，应特别注重风能资源的利用情况，而低风速需要更大的风能截取面积，转换设备功率的增大也会增加风电场建设的成本，同时考虑低风速时段风电场出力的变化和风功率曲线与设计值的一致性，风机的发电能力直接决定着项目最终产能效益。能否准确评估区域风资源情况和充分掌握机组的设计参数制定对大型风电场开发意义重大[8-10]，具体影响低风速风电场发电能力的主要因素主要有： (1)风机叶轮翼型气动效率[11]；(2)叶轮功率曲线饱和值；(3)扫风面积；(4)轮毂高度处风能转换效率；(5)风机微观机位是否能够保证风场处于低风速长时间运行发电状态；(6)风电机组尾流影响；(7)项目中标机型先进性；(8)自然条件对微观选址机位的限制情况；(9)前期测风阶段测风塔对于整个风电场区域的代表性等；(10)测风数据局分析准确性偏差情况；(11)地表粗超度情况等。在实际建设中，还要重点考虑测风塔的设计方案以及对测风数据的最小不确定性分析、长期的风速修正与拟合及插补经度等；风电机的组机位选取还应考虑机组风况、海拔、轮毂高度处的湍流强度、载荷情况、入流角、风机安全性及项目区域限电情况等因素。

2 技术方案应用及实例分析

2.1 某150 MW风电场资源情况概述

某风电场始建于2012年，容量150 MW，分2期项目建设，一期项目50 MW已投产，二期项目100 MW正在积极推进，场区海拔为91～160 m。风电场代表年测风塔70 m高年平均风速为6.20 m/s，风功率密度为310 W/m2，推算至80 m轮毂高度处风速为6.41 m/s，风功率密度为332 W/m2，风能主要集中于N和SW区间，占总风能的43.5%。70 m高度50年一遇最大风速取32.4 m/s，极大风速取50.1 m/s。该项目一期采用80 m塔筒，93 m直径叶片的2 GW机型，综合折减系数为32.1%。目前一期风场已投产，年发电量约为10 790万 kW·h，等效利用小时数约为2 248 h。为提高二期项目低风速区域的发电效益，计划采用85 m或90 m塔筒，叶片直径121 m及以上大功率直驱机型。

2.2 测风塔选取

项目建设初期，为充分掌控该区域风资源情况，综合整个区域地貌特征及周边城镇规划建设，设立了2座测风塔，分别测量方圆5 km以内区域的风资源情况，对于2座测风塔的数据信息要进行横向比较，结果如表1所示。收集到的分钟风速、标准差和湍流强度均缺乏代表风速瞬态变化的秒级统计，对于计算极端风况条件造成偏差，如果对设计风况和实际情况相差较大，会造成选型不当降低风场先天发电能力，严重情况会影响全场生命周期。只有对项目设计初期充分考虑测风塔数据的准确性才能对低风速地区做针对性微观选址布机方案，前期资料收集情况对风电场风资源情况分析、机组优化设计、主机选型、项目建设及技改意义重大[12]。

表1 测风塔基础数据

对2座两测风塔数据深入分析，可得： (1)1、2号测风塔有效数据完整率均高于GB/T 18710—2002《风电场风能资源评估方法》标准中规定的90%。(2)1号测风塔10、30、50、60、70、80 m高度处的风功率密度分别为223.1、302.1、355.1、372.1、396.3、413.4 W/m2；2号测风塔10、30、50、60、70、80 m高度处的风功率密度分别为194.9、306.3、323.7、408.1、435.3 W/m2。(3) 1号测风塔10 m高度处风速为3～25 m/s时，风速频率达到83.71%，风能频率达到99.31%；70 m高度处风速为3～25 m/s时，风速频率达到92.68%，风能频率达到99.83%；80 m高度处风速为3～25 m/s时，风速频率达到92.75%，风能频率达到99.87%；2号测风塔10 m高度处风速为3～25 m/s时，风速频率为88.54%，风能频率分别为99.89%；70 m高度处风速为3～25 m/s时，风速频率为93.51%，风能频率为99.68%；80 m高度处风速为3～25 m/s时，风速频率为93.35%，风能频率为99.89%。(4)风电场湍流强度I为0.10～0.25时，为中等程度湍流，70 m高度湍流强度I15为0.091～0.100。(5)1号测风塔威布尔系数A值为7.6，K值为1.89，2号测风塔威布尔系数A值为8.1，K值为2.17。2座测风塔湍流强度分析结果见表2。

表2 测风塔湍流强度

由表2可知，两测风塔数据相似拟合程度较高，但仍存在明显差异： (1)两塔所处地貌特征有所差异；(2)两塔所处的海拔高度有所不同；(3)两塔在整个场区中的相距较远，仅能分别代表布置交近的风机点位；(4)两塔对风能、风向的描述基本相似，同塔相关性较好，但异塔同层相关性拟合不性不强；(5)借助投产项目风机端及风功率预测测风塔数据进行复核；(6)风速的变化率的产能评估有重要意义[13]。对于本低风速场区的整体资源评估，应注重布置风机的就近取塔原则，而对于测风塔的设置也应结合场区整体布置风机的原则重点考虑，对于拟选测风塔的位置可通过先布置风机后选取测风塔的方法进行布置，即在全厂区内布置风机，截取各个风机轮毂高度处的拟合风速资料进行比对，逐一复核，选取最能代表场区风能资源的位置进行分区设置，实际操作中，在低风速风电场设计过程中，0.1 m/s的风速误差会带来2.1%～3.5%的发电量相对误差、1.55%的资本金内部收益率(internal rate of return，IRR)绝对误差。同时也会带来评估平均湍流强度、最大湍流强度、最大瞬时风速、风切变、入流角等影响机组安全运行的风况特征参数的很大误差。为精准评估，部分微风数据应详尽取舍[14]，初期设立的测风塔位置往往成为后期建设时的风机点位。部分设计人员对风况条件的界定精细程度不同，很大程度上影响到风能资源评估的准确性，严重情况会影响风机运行寿命及发电效益。

2.3 风机优化布置

优质风电场的选址工作应注重平衡点，不能单纯追求效益、电量、施工难度、经济价值。应将低风速项目的开发作为整体衡量标准，优化风机布置，加强微观选址深度的工作就是对上述条件的平衡，对于现今技术水平，单一机组对于低风速区域的开发将成为制约产能的主要因素，在同系列不同适用风速的机型间普遍存在发电性能力差异，风机点位资源的针对性设计成为低风速地区风电场效益的有力保障。

某地区风电场风机布置方案均依照整体风场发电能力最高情况下的单台风机最优化，一期风机布置区域地貌特征相似，区域间隔较近，且在同一代表性风能区间，选址时采用统一机组方式；二期场区分散风能资源条件较差，布置方式如图1、2所示。其中优质资源部分被高压输电线路占据，且能够布置风机的丘陵地区海拔低、跨距远，积极采用针对每台风机的点位选取定制化方案，同时该项目二期主机塔筒高度和叶轮直径都得到进一步拓展，根据该区域的风资源情况，增大叶片可以有效提高发电量，为保证长期的高收益。在二期风机方案设计中重点考虑直驱永磁或半永磁型机组，不仅能从本质上改变个别海拔较低区域风机产能低的状态，还能达到新叶片重组后的功率曲线稳定区间，实际设计中还应采用低实度、高叶尖速比的设计方案，使用成熟翼型提升项目盈利空间。

图1 二期项目风机布置位置Fig.1 Wind turbine arrangement of Two phase project

图2 二期项目风机微观选址图Fig.2 wind turbine micro location of Two phase project

由于项目区域地条件限制，通过对不同机型及不同轮毂高度的数据对比分析，发电能力高的机组因排列位置不同，产能效果各异，发电量数据见表3—5，选用34台3M-140-90Ht机组(年平均发电小时数为2 553 h)，选用40台2.5M-121-85Ht机组(年平均发电小时数为2 545 h)，选用20台2.5M-121-85Ht和3M-140-90Ht机组组合方式布置(年平均发电小时数为2 609 h)，机组发电情况如图3所示。

针对于该主机厂商的3种选型方式的造价程度又差异较小，混排的布置效益得以体现，分析混排后的风机年发电效益，高于最初布置完全3M机型近50 h,说明在海拔较高、资源条件较好的部分风机点位处，轮毂高度的处的风能利用情况已达到该机型的长期最优状态，不必过于弥补自然条件造成过度投资，以风功率密度300 W/m2(风速频率分布属于瑞利分布时对应于年平均风速7.0 m/s) 作为可开发的正常值。所以在风机布置时应重点精细优化机组的排列组合: (1)结合地形条件，尽量将风能资源优质地区布置为最适应该风况特征的机型，保证该区域的风能被最大限度有效吸收。(2)对于限制条件复杂的区域范围，结合风场整体产能效果，减少布置密度或者在符合安全条件下使用大功率机型进行等值代替[15]。(3)对于点位选取使用针对性试算调整方案，在同一布置区域内进行微调并不断优化风机布置位置，最终以达到该风机及整个风场的发电效益最佳值。(4)有效控制风机间隔，尾流控制有度。(5)结合各专题限制条件合理布局，避免因后期建设手续繁琐造成工程停滞。(6)注重风切值变化，适度提升轮毂高度。(7)同一布置位置的风机分别计算最佳发电风速段，针对机组功率值进行。(8)对于未进行实测地形图的场区，要充分考虑到现场建设条件及敏感问题限制情况。(9)对于不同机组的比选方式应逐一分析，将目标风况具体化，避免造成选型过于保守，影响风电场的风能利用效率。(10)注重极端风况信息避免导致风机的安全风险，增加风电场全生命周期的运行成本。(11)注重场区风切变变化值，避免造成提升轮毂后的经济效益下降。(12)注重低风速风电场开发尖端技术应用。(13)注重项目运行数据分析[16]。

表3 3M机组发电量

表4 2M机组发电量

表5 2M/2.5M混排机组发电量

图3 不同机组布置方案发电能力对比图Fig.3 Generation capacity comparison of different wind turbine arrangement

3 低风速风电场开发建议

低风速风电项目的开发具有特殊的意义，战略转移已成为各大发电集团的掠争之地，新能源配比在2020年将成为各个集团公司的重点完成目标。对于低风速项目的开发，无论在微观选址的技术难度上，还是工程实施期间的吊装、道路及集电线路布置的工程建设难易程度降低，但在选址初期的风机排布、风机选型和设计深度直接制约项目效益，实际上项目布置方案不受地势海拔等限制条件制约时反而给项目前期微观选址工作提出了更高的要求。

(1) 低海拔、低风速地区多为广阔的平原或丘陵地势，多数场区受基本农田的限制应遵循少交集、多避让的原则。

(2) 注重风机混排间距控制，低风速地区地域广阔，若不受场区边界条件限制已应采用多纵多横的布置方式。尽量占居边缘，减少场区中心尾流，多余地域广泛的场址区域，单机尾流建议控制在4%以下，机组平均尾流建议控制在2%～3%。

(3) 机型选取以直驱永磁为主，高塔筒、大叶片机型作为辅助。

(4) 注重容量控制，保证工况安全前提下，以大功率机型代替小兆瓦机组。

(5) 开展实质性建设，加快前期投入，缩短核准周期，在资源范围尽快开工建设，避免因后续规划、土地、矿产调整造成资源损失。

4 结论

如何高效低风速区域开发，成为现今风电市场的热门主题，本文通过微观选址技术的拓展应用，对于该区域一期项目的资源数据的深入分析，完全掌握续建项目的地貌特征和风资源情况，实时收集近况风资源数据，为后续风电场项目建设提供精准数据支持，同时结合现场深入勘查和严格的机型技术比对，充分考虑风电场自然环境、地理限制因素、风机尾流扰动、湍流强度、负切变及风机排列布置方式中存在的尾流问题及风机排布分布问题，结合建设初期综合造价和远期效益选取最优方案，避免了因选址、机型等因素造成的损失，大幅度提升发电能力。确保续建项目理论发电小时数到达2 609 h的最佳效果，充分证明深入应用微观选址技术对低风速风电场开发的价值，在低风速风电场工程开发过程中应该注重轮毂高度、叶轮直径、传动结构、叶片材质及主机类型等外在设备因素选用确保低风速项目的开发价值，成熟的微观选址技术应用促使低海拔、丘陵、平原地势的风资源区域涌入激烈的风电开发市场。

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李斌

(编辑 蒋毅恒)

Research and Application of Low Wind Speed Wind Farm Resource Development

LI Bin1, ZHANG Yushi2

(1. Liaoning Datang International Renewable Power Limited Company, Shenyang 110001, Liaoning Province, China;2. State Grid Liaoning Power Dispatchingand Control Center, Shenyang 110000, Liaoning Province, China)

In the area of high wind speed, the wind power resources are gradually reduced, which makes the wind power market change rapidly to the region of low wind speed. This paper proposes the development scheme of low wind speed wind farm resources. Through the control of the whole wind farm construction cycle situation, we analyze the production data, micro-location selection, model selection, productivity evaluation and other technical schemes for each stage, and point out the cause of inefficient capacity through specific example. Then, we discuss the feasibility of improving low wind speed wind farm development, which shows that strengthening the accurate assessment of the low speed project and developing the targeted technical development plan have become the effective way to improve the development efficiency measure of low wind speed wind farm. Compared with the high-quality wind resource region, the design of low wind speed wind farm will rely on accurate data support in each link of the project construction, including the pre wind-test stage, data processing stage, layout stage, model selection and bidding stage, optimal design stage, operation maintenance stage, etc. The efficiency of each link affects the final project benefit. For the project development in low wind speed area, it focuses on strengthening the site depth and prophase technology investment, and prompting the development of low wind resource areas with higher productivity and efficiency.

low wind speed; wake model; wind farm; wind farm micro-location selection optimization

TK 89

A

2096-2185(2017)02-0044-07

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.02.007

2017-02-19

李 斌(1988—)，男，本科，工程师，研究方向为新能源资源评估、微观选址、风电场集控运行等，dtlnlibin@126.com；

张宇时(1982—)，男，研究生，工程师，研究方向为电网调度运行管理。