峡谷风电场工程设计关键技术分析

任腊春，李良县

（中国水电顾问集团 成都勘测设计研究院，成都 610072）

近年来我国风电得到迅猛发展，2012年底风电装机容量为75 324.2MW，位列世界第一［1］。随着风电设备制造、勘测设计技术的发展，我国风电发展路径由集中开发转变为集中开发与分散开发相结合，风电开发区域也由风能资源好、地形地貌简单的“三北”地区转向低风速、高海拔、地形复杂的山区［2］，河流峡谷风电场又是山区风电场的一个特例。

本文以成都勘测设计研究院承担的已建成投产的四川省乃至国内唯一一座峡谷风电场——德昌安宁河峡谷风电场为例，对峡谷风电场的风能资源评估和微观选址等设计关键技术进行分析，希望能为同类风电场设计提供一些参考。

1 工程简介

四川省德昌安宁河峡谷风电场示范工程是四川省第一个建成发电的峡谷风电场项目，场址区域属高原河谷地带，地形北高南低，南北长14km，东西宽3km，海拔高度在1 380～1 560m；场址东西两侧分别为螺髻山与耗牛山，海拔均超过3 000m，中间是安宁河，形成狭管，使得区域内风速狭管效应明显，大风频繁，风能资源相对较丰富；场区内还存在西攀高速公路、国道G108、成昆铁路、高压输电通道及分散民房等。

风电场的勘测设计工作主要包括场址地质勘查、风能资源评估、微观选址、电气设计、土建设计、工程概算、财务评价等。由于该峡谷风电场的风能资源受地形地貌影响大，不均匀性十分明显，并且所在地区人类活动频繁，存在较多制约风电机组布置的因素，选择经济技术指标相对较优的风电机组以及布置位置就显得尤为重要。因此，本文重点对峡谷风电场的风能资源评估、微观选址等进行分析。

2 风能资源评估

风电场所在区域属于以亚热带高原季风为基带的立体气候，加上东西两侧高山形成的狭管效应明显，风能资源具有开发价值。风电场主风向与河流走向基本一致，但局部受地形、地面附着物、两侧高山和气候等影响，场址区域内风速、风向可能差异较大。因此，准确掌握区域内风能资源分布情况，对风电场工程设计起着决定性作用［4］。

2.1 设置测风断面

风电场场址区域南北长为14km，东西最宽处为3km，最窄处仅为1km，且东西海拔高度差最大处为200m；部分区域有伸向河中心的高台地。针对这一特殊地形地貌，考虑在场址区域内设置3个东西向断面，每个断面间隔约4km。考虑与两侧高山、河谷中心线的关系，以及东西向的宽度、高度等因素，在上中断面各设立1座70m和1座30m测风塔；下断面设立1座70m、2座30m测风塔，各测风塔不同高度处设置风速风向仪器。目前已收集到这7座测风塔2008年8月至2011年7月的测风塔数据。各测风塔位置及3年测风情况见表1。

表1 各测风塔位置及3年测风情况

经过对各测风塔3年的风速等参数进行分析，各测风塔各自不同高度测风数据的相关关系较好，相关系数均达到0.813以上；由于地形等影响，风切变指数值较大，均在0.12以上，且随着高度增加而减小，这是因为随高度增加风速受地面附着物及地形的影响逐渐减小，说明离地面一定高度后风速更能反映区域资源的实际情况；各测风塔之间的相关性均较差，风切变系数相差也较大；测风塔同高度风速差异明显，河谷较窄处的风速相对较好，区域靠近两侧高山处风速较小，风向稳定性相对较差，靠近河谷中心线处风速较大。这说明受地形、地貌、地面附着物等多种因素影响，同一场址区域即使很近的地方风能资源分布可能存在较大差异。鉴于此，有必要对风电场区域进行分片区风能资源评估。

2.2 分片区进行风能资源评估

为了更准确地反映风能资源分布情况，为后续风电机组布置提供依据，在进行风能资源评估时做了多种方案：利用区域内各塔测风数据分别对整个区域进行风能资源评估；相邻的（包括横向和纵向）2个测风塔同时计算分析所控制片区风能资源分布；区域内各塔分别对所控制的片区进行风能资源分析评估。

经过分析对比发现，同一个片区采用不同的测风塔测风数据来评估所得到的风能资源分布都不一样，但在多次计算分析中发现，各片区风能资源的相对关系基本一致，能一定程度上反映各片区风能资源的分布情况。因此，在最后分析评估时采取各测风塔分别计算所在片区的风能资源的方法。

本示范工程采用其中的两个片区进行风能资源评估，各机位处风能资源特征参数见表2，表2中轮毂高度为70m。

表2 各机位处风能资源特征参数

根据测风塔的测风数据计算分析及资源评估结果可知，风电场的主风向和主风能方向基本一致，以南南西（SSW）风和北北东（NNE）风的风速、风能最大和频次最高，其中南南西（SSW）风的风速、风能占比分别为24.55%、25.72%，北北东（NNE）风的风速、风能占比分别为22.76%、24.56%，并且主风向稳定，基本与河流方向一致。年内大风月集中在1～5月，小风月集中在7～9月；每天12：00～13：00风速开始加大，在16：00风速达到最大，然后逐渐减小，至凌晨最小。区域内河谷狭窄处、靠近河谷中心线处风能资源好，反之则风能资源一般或较差。

3 微观选址

风电场微观选址是整个风电场建设、运行的重要环节，也是风电场取得良好经济效益的关键［4］。微观选址是一个复杂的系统工程，涉及风能资源、地质、机组布置、设备运输及安装等［5］。而机组选型、机组优化布置、发电量估算等又是微观选址工作的中心内容及评判依据。

3.1 机组选型

对于风电场风能资源评估结果（包括极端风速、参考风速、年平均风速、湍流强度等），根据《风力发电机组安全要求》（GB 18451.1—2005）可判断该风电场适合选用IECⅢ类风电机组。目前，风电机组主要有双馈式风电机组和直驱式风电机组，后者较前者具有结构简单、技术较先进、可靠性高、噪声小、运行维护成本低、容易实现低电压穿越和低风速发电效率相对较高等优点［6］。因此，风电场在参选机型时考虑了上述两种。各参选机型的技术经济比较结果见表3。

表3 各参选机型的技术经济比较结果

由表3可见，综合考虑了主流风电机组特性，结合风电场的风况特征、安全等级要求，现场交通运输条件、地质条件、施工安装条件等因素，对多种机型进行比较。对参选机型进行技术比较时，着重关注机型的型式认证、功率曲线认证、电压控制、有功无功控制、频率和谐波等特性，在经济比较时主要考虑设备及安装工程、建筑工程等方面。

经分析计算，风电场最终选择了低风速直驱式风电机组（WTG5）。

3.2 机组优化布置

风电场风电机组的布置主要是根据场址风能资源分布情况和场址建设条件确定。由于该风电场机组布置受限制因素较多（有较多少数民族居民房屋、高速公路、铁路、高压输电线路等），即使在地质条件较好的情况下也难以直接采用专业的软件进行布置方案的确定。

因此，在布置机组时优先考虑风能资源好的位置，然后根据以下限制条件对机组位置进行经济性优化。

1）风电场各机组间尾流及规划的后续风电场机组与本风电场的机组间的尾流损失按10%控制。

2）考虑机组运行噪声可能对居民生产生活的影响，经计算，机组位置离居民房屋应超过160m。

3）考虑机组与铁路、高速公路、输电及通信线路的安全距离，按照塔筒高度和叶片长度之和来控制。

4）部分机组位置由于风能资源较好，但是可能位于高台地上，则按照机组与台地边坡稳定性均不受影响来控制，经计算机组位置与边坡的距离为70m。

5）由于靠近两侧高山处风向稳定性较差，为减少紊流对机组运行可靠性产生影响，布置机组时设定了机组位置与高山的净距离限制，设计时采用400m。

此外，为了充分利用区域风能资源，相对弱化各风电机组的间距要求，部分机组位置间的直线距离按照机组与铁路等的安全距离考虑。

3.3 发电量估算

3.3.1 微观选址流程

根据优化结果的各机组位置坐标，利用GPS到现场踏勘定点，根据现场的地形地貌、地质和施工安装条件对机组位置进行微调，并利用GPS测得新坐标，然后再将现场的定点坐标作为新的机位坐标进行后续发电量、湍流强度、极端风速、入流角等参数进行复核，然后重复上述过程直至满足要求。

3.3.2 最终方案发电量估算

根据微观选址的机位坐标，并结合选型确定的风电机组技术参数、风能资源评估结果，采用黏性涡漩尾流模型对风电场每台风电机组发电量及尾流损失进行精确计算。考虑风电场发电量的各种折减系数，利用专业软件meteodyn WT计算风电场年平均发电量、年等效利用小时数、容量系数。

本风电场各机组能量指标计算结果见表4。

表4 各机组能量指标计算结果

4 工程设计效果

德昌安宁河峡谷风电场从并网发电近两年，从目前的运行情况来看，所采用的风电机组故障率很低、可靠性相对较高，可利用率在98%左右，这说明设计所选用的风电机组以及机组的布置基本合理，有效保证了风电机组安全。

上网电量是衡量风电场各方面成功与否的关键内容。表5给出了风电场投产以来的风速和发电量等参数。由于风电机组机舱上测风仪所测数据不能完全反映实际风速情况，在此仅以发电量来说明，以2012年为例，实际上网电量和利用小时均高出设计值约20%。考虑到运行初期风电场各项折减系数基本都优于设计取值，这里暂考虑在此基础上再折减15%作为实际多年平均值，得到的实际多年发电量为3 278kWh，高于设计实际发电量值。因此，从发电量的角度来看，风电场实际运行效果也基本达到设计预期。

5 结论

本文以四川省首个峡谷示范风电场为例，分析说明该类风电场风能资源分布特性，并对峡谷风电场的工程设计关键技术——风能资源评估和微观选址进行探讨。风电场工程设计效果初步达到了设计预期，说明该峡谷风电场设计所采取的分析计算方法基本合理，设计经验对同类风电场勘测设计具有一定的借鉴参考价值。

［1］中国风能协会.2012年中国风电装机容量统计报告［A］.2013，3.

［2］国家能源局.可再生能源发展“十二五”规划［A］.2012，8.

［3］曹云，孙华.风电场规划设计与施工［M］.北京：水利水电出版社，2009.

［4］何一.德昌安宁河谷风电场风能资源评估［J］.水电站设计，2011（4）：83－86.

［5］连捷.风电场风能资源评估及微观选址［J］.电力勘测设计，2007（2）：71－73.

［6］田迅等.德昌安宁河峡谷风电场机组选型的技术经济分析［A］.中国风电技术发展研究报告［C］，2008.

表5 风电场设计发电量与实际发电量对比