高海拔山地风电场风能资源分析与微观选址

李良县，任腊春

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

高海拔山地风电场风能资源分析与微观选址

李良县，任腊春

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

高海拔山地风电场是今后一段时期风电发展的重要领域，风能资源分析和微观选址在高海拔山地风电场建设中具有重要作用。以拉马（以下缩写为“LM”）风电场为例，论述了高海拔山地风电场风能资源分析和微观选址的方法和实际操作，为今后同类高海拔山地风电场建设提供借鉴。

高海拔；山地风电场；风能资源分析；微观选址；LM风电场

1 研究背景

风力发电作为资源潜力大、技术基本成熟的可再生能源，在减排温室气体、应对气候变化的新形势下，越来越受到各国重视，并已在全球大规模开发利用。从最早的资源普查来看，我国风能主要分布于三北一带，多为平原地形风电场，风资源形成机理比较简单，风资源分析和微观选址也相对简单，主要考虑的问题是风电送出和消纳问题。其次是海上，目前海上风电已进入了迅猛发展阶段，在风资源评估时重点的考虑因素有：气温、水温、潮位变化对风速的影响［1］，微观选址注重场址地质条件和海洋水文分析［2］。随着全国风电工作推进，已查明位于西南部高海拔山区也具有丰富的风能资源，伴随风电技术进步以及交通运输、电力系统等外部配套环境改善，高海拔山区风电建设也进入快速发展阶段，但由于成风机理不同地区差异较大，阵风性强、气候条件多变、交通运输条件差等因素，高海拔山区风电场风资源分析更加注重风资源完整率、地形对风速和风向的影响分析，微观选址注重地质条件、运输和安装条件、边坡处理等［3］。

风能资源分析和微观选址是风电场建设前期工作的重要环节，是风电建设项目的基础工作，风能资源分析正确与否是风电场建设取得良好经济效益的关键［3］，若风电场风能资源分析不当，将给风电场建设带来巨大风险。微观选址即在保证机组安全的基础上，实现风电场综合效益最大化等。

2 高海拔山地风电场风能资源分析

2.1 测风数据收集测风数据是评估风电场风能资源的基础［4］，只有收集风电场内及其周边尽可能多的测风数据才有可能准确分析其风能资源。测风数据包括测风塔不同高度实测时间序列的风速、风向、气温、气压、标准偏差，以及风电场参证气象站长系列风资源分析相关气象参数（近30年逐年平均风速和各月平均风速、最大、极大风速、与测风塔同期的风资源观测数据等）。高海拔山地风电场地形复杂、气象条件多变，设备可能发生冰冻、倒塔、信号缺失等多种情况，导致测风数据缺测，应尽可能收集较长时间序列（超过12个月）的数据，以准确评估高海拔山地风场风能资源。

2.2 测风数据验证和订正测风数据验证是检查风电场测风原始数据，对其合理性和完整性进行分析，检验出不合理数据和缺测数据，目的是整理出至少一个完整年连续的逐小时测风数据。合理性分析主要针对测风数据的范围、相关性、趋势等；完整性分析是指有效测风数据占应测数据的比例，按《风电场风能资源评估方法》规范要求，风电场一个完整年连续测风数据的有效数据完整率应不低于90％。高海拔山地风电场测风数据有效完整率一般较低，往往达不到90％，在实际项目中，一般按照不低于75％控制。测风数据订正是指根据风电场附近参证站长期风资源气象观测数据，将验证后的测风数据订正为一套能够反映风电场长期平均水平的代表性数据。由于高海拔山地风电场的测风塔往往距离长期测站距离较远，而且测风塔与气象站的海拔高度相差较大，再加上地形和地貌的差异使得场址与相关气象站测风数据之间的相关性较差，一般都远小于0.80的要求值。因此，需采用多种方法进行风电场测风数据的订正分析，如相关法（分扇区小时相关、逐小时相关、逐日相关、逐月相关）、比值法等，并结合周边其他气象站的资料，综合推荐订正结果。

2.3 测风数据处理测风数据处理是指根据订正后的数据计算分析得出评估风能资源的各种关键参数，包括：不同时段平均风速和风功率密度、不同扇区风速频率分布和风能频率分布、风向频率和风能密度方向分布、威布尔分布、风切变指数、湍流强度、50年一遇最大风速等。平均风速、风速频率、风向、风功率密度、风能频率分布主要反映了风电场风速大小、主风向、风资源等级等风电场风资源基本信息，用于指导风电机组合理选型和科学布置。风切变指数反映风电场不同高度风速的关系，用以推算风机轮毂高度处风资源；湍流强度反映同一高度风速标准差与平均风速的比值，体现了同一高度风速变化的程度，值越大，变化越大；50年一遇最大风速反映风电场风机轮毂高度处50年一遇最大风速。以上三个参数均用于风机选型和塔筒设计，值越大，说明风电场适宜的风机安全等级越高，塔筒承受的荷载越大。高海拔山地风电场由于特殊的地形条件，气候环境，往往具有主风向不突出，风切变指数较大或负，湍流强度、50年一遇最大风速较地形简单风场大，因此，针对高海拔山地风电场往往需要收集较长时间序列（超过连续12个月）的风资源，同时测风塔控制的范围应较常规风电场小。

3 高海拔山地风电场微观选址

3.1 微观选址方法由于高海拔山地风电场往往具有空气密度低、气象条件多变、地形复杂、交通条件差、地质缺陷多的特征，其微观选址往往比简单地形或一般山地风电场复杂。微观选址即是在地形图上实现风电机组可行性布置后，再根据招标确定的风机机型，结合风电场现场地形条件、安装平台设置、施工道路比选、环境影响、湍流和尾流影响等因素，在保证风机稳定安全运行的前提下，采用风机布置和发电量计算软件分析不同布置方案下风电场总体发电量，同时考虑经济性，以期达到整个风电场风能资源利用最优化、出力最大化、成本最低化、安全性最好［5］。风电场微观选址是风电场设计阶段的核心工作之一，尤其是高海拔山地风电场，涉及到风资源、地质、电气、交通、土建、环保等多个专业，是一项系统工程。此外，高海拔山地风电场还可能涉及民俗、宗教等。

3.2 微观选址步骤微观选址主要通过现场踏勘和专业软件分析，Meteodyn WT、W indsim主要是基于计算流体力学（CFD）的方法，适用于河谷、山地、陡坡等地形较复杂的风电场。高海拔山地风电场微观选址宜采用Meteodyn WT、W indSim软件进行。

微观选址工作涉及到的影响因素较为繁杂，且每个风电场的特点迥异，对高海拔山地风电场而言，微观选址的步骤可概括如下。

第一步：首先由风电场项目业主、设计单位、中标风机厂家组成工作小组，根据确定的风机参数，结合前期工作确定的风机布置方案和地勘成果，按照风机布置一般原则：风机间距在主风向为5～9倍风机直径，垂直主风向为3～5倍风机直径；尽量充分利用场地，同时保持尾流效应较小（＜12％），入流角不超过8°、湍流强度不超过0.16，确定微观选址初步布置方案。

第二步：根据微观选址初步布置方案在场址内开展风机现场定点，结合风机机位周边微地貌、地质缺陷、地物分布、集电线路、施工难度、道路设计、安装平台、民俗点等因素，并考虑入流角、湍流等，现场微调风机机位，形成风电场微观选址阶段风机布置比较方案。为充分利用风能资源，在机位微调时在保证风机稳定安全运行的前提下可突破风机布置一般原则。

第三步：比较不同布置方案的投资、发电量、对环境的影响等，确定最终的风电机组布置方案，具体的流程详见图1。

4 实例分析

高海拔山地风电场类型复杂多样，风资源分析中的订正和处理，微观选址的重点都各不相同。本文仅以其中一类为例简要论述高海拔山地风电场风能资源分析和微观选址工作。

4.1 风电场基本情况LM风电场位于四川省凉山州会东县，场址地处鲁南山脉山脊地带，山脊呈东北-西南走向（见图2），山脊地势较开阔、山脉存在一定起伏，海拔高度2 700～3 100m，距会东县政府所在地直线距离约20 km。风电场长约10 km，平均宽约1.3 km，无建筑无遮挡。风电场地形复杂，包括山脊、山谷、迎风坡、陡坎等多种地形；部分初步布置机位存在地质溶洞等地质缺陷；山体覆盖层薄，多基岩；场址内有较多坟地，场内没有运输道路，需新建场内道路20 km。

4.2 风能资源分析本文收集了LM风电场内一座70m测风塔2011年4月至2012年7月测风数据，经比较数据完整率和合理性分析，最终选取2011年4月至2012年3月为风电场代表年数据，以此分析风场风能资源。经风资源数据验证、订正分析，LM风电场主风向稳定，为西南风，70m平均风速9.10 m/s，风功率密度589.5W/m2，50 m平均风速为8.81 m/s，风功率密度为497.5W/m2。根据《风电场风能资源评估方法》（GB/T 18710—2002），判定测风塔处风功率等级为4级，属风能资源较好区域（见图3）。风电场山顶、山脊风功率密度较高（＞300W/m2），适宜布置风电机组；山坳、山坡、背风坡风功率密度较低（200W/m2左右），尽管这些区域风能资源具备一定开发价值，地形条件较好，施工难度小，但由于湍流影响较大，风机布置应尽量避开这类区域。

图1 高海拔山地风电场微观选址流程图

图2 LM风电场风能资源分布和风机布置图

4.3 微观选址（1）风能资源。LM风电场地物较少，地形起伏大，机位最高海拔与最低海拔相差约200m，影响风资源特性参数的主因是地形，地形起伏大处地表粗糙度较大，近地面风速风向受影响程度较大，并随离地高度增加影响逐渐减弱。因此，在LM风电场地形起伏变化较大区域，尽量减少风机布置，适当增加风机布置间距，才能使风机轮毂高度的入流角、风速切变、50年一遇最大风速和极大风速、湍流强度满足所选机型设计要求值，对于某些湍流较大的风机机位必须选用适应更高等级的机型，以确保风电机组在运行期内安全可靠运行。

（2）风电布置。LM风电场场址主要由山脊和连绵微凸的小山丘组成，在布机时结合风能资源分布图，并考虑风机布置一般原则，采用Meteodyn WT软件经初步分析，一方面，风机的湍流强度随风机间距的增大而降低（受局部地形影响，个别机位除外），但风机间距增加到一定值时，湍流强度变化逐渐减弱；另一方面，对高海拔山地风电场，增加主风向上的风机间距比垂直主风向的风机间距更能有效减小湍流强度。因此，为了尽量最大化利用这一地区风能资源，结合地形条件，只要在满足入流角、湍流强度要求的某些区域，风机布置按照主风向上风机间距为风轮直径的3～5倍，垂直主风向上机组间距为风轮直径的2～3倍进行风机布置。调整后LM风电场风机间距最小为240m，约为风轮直径93m的2.6倍，实现了在取消部分机位的情况下保证风电场装机规模不减小。

（3）边坡距离。LM风电场为高海拔山地风电场，风机主要布置在山脊和山顶平台，为了利用风能资源最好的区域，风机大多布置山脊和山顶最高处，某些机位中心点距山脊或山顶边坡较近（不超过10m）。为了机组能稳定运行，有必要分析计算机位与台地边坡的最小安全距离。综合考虑风电场边坡规模、边坡失事风险及影响程度，确定边坡类别，并选取控制标准；同时根据地质勘察资料和风机荷载，进行天然边坡最危险滑动模式稳定性和布置风电机组后边坡的稳定性分析；根据边坡控制标准确定机位最小安全距离，综合分析后，LM风电场风机机位因边坡类别不同，安全距离都控制在20～50m，对于某些机位调整后也不能满足最小安全距离的机位必须考虑一定的边坡防护工程。

（4）地质缺陷。LM风电场地处高海拔区域，地表以基岩和薄覆盖层为主，但局部区域也存在地表水溶蚀、地下溶洞、地质危岩、强卸荷岩体等地质问题。微观选址时需结合现场地质和实测地形图（1∶2000比例尺），调整风电机组机位，初步比较不同机位的建设成本和发电收益，在不影响风机安全稳定运行的前提下，最终选用工程量最优、环境影响小、发电量较高的风机机位。

（5）其他因素。风机机位的调整，还需考虑场内道路的布置，尽量减少场内道路工程量［5］；微调机位后还需要确保机位附近能够具备合适的施工平台位置，减少施工平台的开挖工程量。此外，风电机组土地征用的难度，风电场集电线路（电缆）的可行性和经济性，高海拔山地特有天气状况对施工的影响，风电机组布置的视觉美观等方面，也是微观选址中需要关注的。

5 结语

本文重点探讨了高海拔山地风电场风能资源分析、微观选址的方法和步骤。在以LM风电场为案例的基础上，论述了高海拔山地风电场风能资源分析、微观选址的实际操作方法，在范围不变取消某些机位的前提下保证了装机规模和发电效益最大化，对今后研究高海拔山地风电场建设提供了一种思路，对同类风电场风能资源分析和微观选址具有一定的参考价值。

［1］张超然，李靖，等.海上风电场建设重大工程问题探讨［J］.中国工程科学，2010，12（11）：10-15.

［2］符平，秦鹏飞，张金接.海上风资源时空特性研究［J］.中国水利水电科学研究学院学报，2014，12（2）：155-161.

［3］徐国宾，彭秀芳.风电场复杂地形的微观选址［J］.水电能源科学，2010，28（4）：157-160.

［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］陈爱，刘宏昭，等.复杂地形条件下风力机微观选址［J］.太阳能学报，2012（5）：782-788.

W ind resou rce analysis and m icro-sitting for high altitude m oun tain w ind farm

LI Liang-xian，REN La-chun
（Hydro-China Chengdu Engineering Corporation，Chengdu 610072，China）

High altitude mountain wind farm is an important area in the development of wind power in the future，and wind resource analysis and m icro-sitting p lay an important role in the construction of high alti⁃tude mountain wind farms.Taking the Lama wind farm for example，the method and the operation for wind energy resource analysis and micro-sitting in high altitude mountain wind farm are discussed，which can provide references for sim ilar high altitude mountain wind farms.

high altitude；mountain wind farm；wind resource analysis；micro-sitting；Lama wind farm

TK89

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.015

1672-3031（2014）04-0427-04

（责任编辑：王学凤）

2014-07-31

四川省2014年科技支撑计划项目子课题（2014G20084）

李良县（1981-），男，四川广汉人，博士生，工程师，主要从事风电规划和风能资源评估工作。

E-mail：hotliliangxian@163.com