地形粗糙度线范围对风电场计算的影响

彭秀芳，李剑锋

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

1 概述

近年来，世界风电装机呈快速增长趋势，以年均近30%的幅度增长，据世界风能理事会初步统计，2009年全球新增吊装风电机组容量约3747万kW。我国风电建设快速发展，装机容量年均增长率达到70%以上。到2011年底，全国并网新能源发电装机容量达到5159万kW，占总装机容量的4.89%，其中，并网风电4505.11万kW，约占并网新能源发电装机的87.33% 。

众所周知，风况是影响风力发电经济性的一个重要因素。风能资源的测量与评估是建设风电场成败的关键所在。因此，如何可靠地测量与预测风场的风资源情况对风电场经济效益是非常关键的。粗糙度是影响风能评估的一个重要参数，在文章[2]中提到粗糙度的取值，提出了我国东部沿海风电场粗糙度取值的大小的合理性，文章[3]中讲述了海上粗糙度取值的计算方法，手册[4]中对不同地形条件的粗糙度进行分类赋值。但很少有文章提到粗糙线所覆盖范围大小对风电场推求风速、发电量等因素的影响，在实际工程运用中也往往被忽视，本文将以实际风电场工程为例，分析粗糙线范围的大小对风电场风速、尾流和发电量的影响。

2 研究方法

WAsP软件是预测风电场发电量最成熟的软件之一，在测风塔实测数据确定的前提下，粗糙度线位置和赋值大小是推求风电场区域的风能资源的主要影响因素。本文的研究方法是在粗糙度长度取值确定的情况下，改变粗糙度线的覆盖范围(长短)，来分析不同的粗糙度线的覆盖范围对风电场区域风速、尾流和发电量的影响。

3 实例分析

3.1 工程概况

本风电场场址沿岸线布置，场址范围南北长约9km，东西宽约2km，规划容量为49.5MW，推荐安装单机容量1500kW的风力发电机组33台。

该风电场外为海域，为了评估该场址的风能资源和计算发电量，根据现场实际情况，在该场址内设置两条粗糙度线，粗糙度线的不同范围见图1、图2，小范围用方案一、大范围用方案二表示。方案一、方案二粗糙度线覆盖范围见图1、图2，从图上可以看出，方案二中第一条粗糙度线明显比方案一的范围大，东西方向大3km左右，南北方向大5km左右。下面将详细分析粗糙度线覆盖范围的大小对风电场风速、尾流和发电量的影响。

图1 方案一粗糙度线及其范围

图2 方案二粗糙度线及其范围

3.2 对风电场风速的影响

为了对比方案一和方案二中不同粗糙度线范围对风机风速的影响，在WAsP软件中输入风电场风速、风向、风机参数、风机位置坐标，并分别导入方案一和方案二的地形图，计算结果见表1。

表1 不同粗糙线范围对风电场风速计算结果的影响(单位：m/s)

(续)

从表1中可以看出粗糙度线范围的增大对1#、2#、3#、31#、32#和33#风机位置的风速影响较大，风电场粗糙度线范围增大后，这些风机位置的风速减小0.2m/s左右。该风电场测风塔位于风场场址的东北方向，且该风电的主风向为东北风，对照图1风机布置图，主要影响的也是东北方向上的风机位置的风速。

3.3 对风电场风机尾流的影响

通过计算后，风机的尾流影响见表2。

表2 不同粗糙线范围对风电场尾流计算结果的影响(单位：%)

从表2中可以看出，扩大粗糙度线范围，各风机的尾流都受到一定程度的影响，与3.2中风速影响类似，东北方向的风机尾流影响偏大，其中3＃风机尾流影响最大，从8.50%增加到9.30%，增幅0.8%；其次是2＃风机，尾流从8.27%到8.87%，增幅0.6%，其余1＃、27＃、28＃、29＃、31＃、32＃和3#风机尾流都有较大的提高。整体平均尾流增加2.4%。

3.4 对风电场风机发电量的影响

风电场粗糙度线增大范围之后，对风机发电量的影响见表3。

表3 不同粗糙线范围对风电场风机发电量计算结果的影响(单位：万kWh)

从表3中可以看出，风电场粗糙度线范围增大后，风机发电量基本有所下降，平均发电量从428.0万kWh降到419.6万kWh，降幅2%，但有部分风机发电量的影响会大些，1#风机发电量从446.2万kWh降到423.6万kWh，降幅5.3%；2#风机发电量从440.6万kWh降到420.8万kWh，降幅4.7%；3#风机发电量从437.6万kWh降到415.0万kWh，降幅5.4%；31#、32#、33#的降幅分别为4.0%、4.5%、4.7%。

3.5 确定较合适的粗糙度线范围

通过以上对两种不同粗糙度线方案下的风电场风速、尾流和发电量计算结果的对比，可以看出粗糙度线的设定对风场各要素的计算结果有较大影响，拟定合理的粗糙度线范围对合理评估风电场风能至关重要。为了详细分析计算结果对粗糙度线设置的敏感程度，下面将粗糙度最边缘点到风电场边界距离按0、1000m、2000m、3000m、4000m和5000m的不同距离设置并对计算结果进行对比分析。取最为典型的1#、2#和3#风机的计算结果进行分析。计算结果对比见表4。

表4 不同边界距离方案计算结果变化百分比(相对0m距离边界的计算结果) 单位：%

从表4可以看出随着粗糙度线范围的增大，对风速、尾流、发电量的影响也越大，但是当距离超过3000m时，影响的速度逐渐减慢，如1#风机在4000m和5000m距离时影响值几乎一致。因此，在此地形条件下，当粗糙度线范围距离风电场边界3000m以上时，粗糙度线范围继续增大，对风电场各因素的影响可以忽略。

4 结论

在风电场风能资源评估中，粗糙度是影响其准确性的重要因素之一。通过上面风电场不同粗糙度线范围对风电场风速、风机尾流和发电量的影响的对比，可以看出粗糙度线范围不同对风电场风能资源的评估是影响较大的，这也可以体现出风电场范围附近的地形条件对该风电场的影响是不能忽视的，因此在评估一个风电场风能资料时，尽量先考察一下场址附近的地形条件。此外，本文中的计算结果是基于较为平坦的沿海地形，对于其他不同类型的地形条件，文中的结果是否适用，需要进一步的研究。

[1]2009年度中国风电建设成果统计报告[R].北京：中国水电工程顾问集团公司，2010.

[2]潘沛，宋强，程海锋.我国东部沿海风电场的粗糙度长度取值[J].能源科技，2009，30(增刊).

[3]过节，等.太平洋海面粗糙度的计算及波长的提取[J].海洋湖沼通报，2007(1).

[4]宫靖远.风电场工程技术手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5]中国新能源发电发展研究报告[R].北京：中电联，2012.