风电场机组选型与微观选址优化研究

文 | 刘超 盛科 杨佳元 卢陈皓 文雯

风电场机组选型与微观选址优化研究

文 | 刘超 盛科 杨佳元 卢陈皓 文雯

风电场前期开发阶段，风电场项目开发公司将请设计单位进行风电场可行性研究。设计单位在获得风电场风能资源数据并对风能资源情况进行评估后，将根据多个主机厂家的机型参数，进行初步的经济性能分析和微观选址工作。一方面通常可行性研究早于风电场主机招标时间，风电机组的技术型式发展很快，可供选择机型不断增多。另一方面，可行性研究报告主要从风电场整体考虑风电机组安全性等级，并不会具体到机位点的安全性要求。因此可行性研究报告中的风电场发电性能指标通常与实际情况存在差距，布机机位点也需进行进一步优化。本文在设计单位的微观选址基础上，以河南某风电场为例，进行更有针对性的风电场机组选型和微观选址优化研究。

风电场概况

风电场位于河南省中部地区，场区高程290m－770m之间。风电场所在区域属北温带季风型大陆性气候。气候温和，四季分明，年平均气温14.5℃，年平均降水量604.6mm，年平均日照时数2228.7h。风电场地形地貌主要属中低扇区，山体坡度一般为10°－30°。场区内有村庄，基本无耕作农田和树木，为旱地作物和杂木草。该区域80m高度年平均风速在5.5m/s－6m/s之间。风电场场址区域属山地，受地形风影响明显，风电场风向主要以S为主，在冬春季NW和NE风向也占一定比例。

风电场场址内立有2座测风塔，其中1#测风塔位于场区西北部，海拔高681m，2#测风塔位于场区南部，海拔高595m。两测风塔测风高度均为70m，均采用美国NRG公司的测风设备进行测风，测风时段为2011年11月到2013年7月。

（1）年平均风速（见表1）

（2） 50年一遇10min平均最大风速与平均空气密度

根据风电场可行性研究报告，风电场70m高度50年一遇10min平均最大风速为27.9m/s，利用风切变推算到80m高度处50年一遇10min平均最大风速为28.3m/s，推算到标准空气密度50年一遇10min平均最大风速分别为27.2m/s。

根据测风塔上实测气温和气压，计算出风电场区域的年平均空气密度为1.134 kg/m³左右。

（3） 风切变

根据工程可行性研究报告，得出1#测风塔风速随高度变化综合指数为0.088；2#测风塔风速随高度变化综合指数为0.072，属于较小水平。

机型选择

一、拟选机型

测风塔计算整个风电场布机范围内1#塔70m高度平均风速为6.02m/ s，80m高度年平均风速为6.1m/s；2#塔70m 高度平均风速为5.2m/s，80m高度年平均风速为5.25m/s；风场70m高度处15m/s风速段的湍流强度小于0.14，50 年一遇最大风速小于37.5m/s。通过测风塔的数据对比可以看出，整个风电场范围内的风能资源分布情况都适合选择IECIV类及以上风电机组。

从充分利用风电场风能资源和风电机组安全等方面考虑，通过对我公司几款风电机组的特点以及根据本风电场的风能资源、地形和交通运输条件、湍流强度以及各型风电机组的成熟性等特点，本阶段拟定以下2种备选风电机组机型：WTG1500D93、WTG2000D110。

两种风电机组基本参数对比见表2。

二、布机方案及机型选择

风电机组选型时应根据风电机组技术参数和造价，拟定若干机型，综合考虑拟选风场的风能资源特征，从技术和经济两个方面进行综合比较，最终确定适合拟选风电场的最优机型。本风电场拟安装33台单机容量为1500kW的风电机组；或者拟安装24台单机容量为2000kW的风电机组。基于本期风电场的风能资源情况和我公司风电机组的特点，优先考虑24台WT2000D110风电机组；如果考虑运输难度较大，则考虑33台WTG1500D93风电机组的方案。

表1 年平均风速对比

机型选择阶段采用可研报告中对各容量机组的初步布机方案进行发电量及经济性能评估，从而选出适合风电场的最佳机型。根据可研报告中对两种容量机组的初步布机方案（见图1、图2），采用Meteodyn WT软件推算各机位点风能资源，再根据各机型功率曲线进行发电量计算。结合可研报告中对建筑工程、工程静态投资等投资值，初步估算了两种机型及布机方案下的经济性能评估，估算工程投资见表3。

从表2可以看出，采用上述布机方案，风电场的年理论发电量以全部采用WTG2000D110机型方案相对较大，为14145万kW·h；而全部采用WTG1500D93风电机组的，则全场理论发电量为13081万kW·h。从经济性能方面考虑，采用2MW风电机组的单位电能静态投资更低，更具有投资优势。从发电量和经济性能方面综合考虑，由于此风电场年平均风速较低，风能资源条件一般，因此采用低风速大叶片风电机组具有更大的优势。

轮毂高度选择方面，根据之前的分析，本风电场风切变小，升高轮毂高度对发电量增加作用不明显，因此建议采用80m轮毂高度。

表2 两种机型参数对比

表3 工程投资估算成果表

图1 1.5MW机组布机方案

图2 2MW机组布机方案

微观选址优化

在风电场宏观选址条件相同的情况下，由于微观选址条件的不同，相同型号的风电机组的发电量存在较大的差异。因此为使风电场经济性能更优，需进行进一步的微观选址优化。MeteodynWT 通过载入地形数据，定义绘图区域，定义测风点以及结果点通过计算一系列风向数据来获得定向结果推算出一定区域的风能资源分布。根据推算出的风能资源图谱，并综合考虑尾流影响、地形条件、道路安装、主风向等因素对可研报告中的微观选址机位点进行优化，最终确定最优布机方案。

从安全性和经济性方面考虑，结合湍流强度图谱和年平均风速图谱，尽量将点选在湍流强度小、年平均风速较大的地区。对图2中WTG2000D110风电机组布机方案下各机位点风能资源进行分析可知，8个机位点湍流强度超出设计标准，且部分机位点布置在风能资源较弱地区，经济性能不佳，因此需对这些机位点进行调整，使各机位点安全性能达到风电机组设计标准，并且尽量将整个风电场的经济性调整到更优。通过WT软件的微观选址功能进行风电机组位置的调整，对这几个点的位置进行微调。初次调整完后，重新生成各点的风能资源情况查看结果，发现T2、T3点的湍流强度仍然较大，还需进一步进行调整。附近区域湍流强度均较大，微调无法达到要求，于是需进行较大的调整。考虑道路安装条件，结合场内道路图（见图3），对T2、T3点进行较大的调整。综合考虑尾流折减、平均风速等因素，经过多次调整，得出最终机位点分布图（见图4）。

图5、图6表示微观选址优化前后风电场各机位点年平均风速和湍流强度对比结果，可见，经过优化后，T2、T3、T6、T14、T15、T16机位点的湍流强度较大，但年平均风速较小，经过优化后，湍流强度降低，年

图3 场内道路图

图4 最终布机方案图

图5 优化前后湍流强度对比图

图6 优化前后年平均风速对比图

表4 微观选址优化前后发电性能对比

平均风速增加，既满足了机组安全性要求，又提高了发电性能。微调能达到目的则尽量进行微调，如果微调无法满足要求，则须结合场内道路安装、地形条件、尾流影响等其他因素对机位点进行较大调整。从表4可以看出，经过微观选址优化后，风电场各机位点年平均风速增加了0.3m/s，湍流强度降低了0.016，风电场整体年有效利用小时数提高了7%，可见微观选址优化对风电场经济性能的影响显著。

结论

风电场风电机组选型及微观选址对风电场设计至关重要。本文以某风电场为例，通过全场风能资源计算分析，选择两种比选机型，在技术和经济性两个方面分别进行比选，最终得出风电场的推荐机型。机型确定后，再在可研阶段微观选址基础上对机位点进行微观选址优化设计，既满足机组安全性要求，同时较大提高了风电场经济性能，对风电场主机招标和正式施工之前最终的机型确定及微观选址优化具有一定的指导意义。

（作者单位：南车株洲电力机车研究所有限公司）

摄影：许霞