风电场选址软件WindPRO在本科教学中的应用

王海云 张革荣

（新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐830049）

0 引言

随着风电产业的迅猛发展，国内对风电专业人才的需求逐渐增大。除了风电场要配备风电运维检修人员，风电机组制造厂商和风电技术服务厂商也要派出相应的运维检修人员协助风电场［1］。风力发电技术涵盖了电机学、电力电子学、空气动力学、自动控制、机械传动等多个交叉学科，涉及气象、材料、空气动力学、电气工程、机械工程、检测认证等多个专业领域［2］。国内的机械工程学院和电气工程学院本科专业陆续开展了风力发电相关的课程，有些学院还开设了风能专业。新疆大学从2005年开始开设风力发电相关的本科课程，并于2011年设立风能与动力工程专业，培养在新能源领域从事相关工程技术的开发研究、工程设计、优化运行及生产管理工作的跨学科复合型高级工程技术人才。

在风能专业的本科教学中，由于环境条件有限，只能讲授有关理论知识和方法，不能提供理论的验证以及实践，使学生对有关知识方法感到抽象难懂，不利于理论基础的巩固和方法的掌握。本文以风能资源的评估方法为例，将理论教学与风电场选址软件WindPRO实例分析相结合，旨在帮助学生更好地理解掌握风力发电的有关知识，锻炼实际操作能力，提高分析和解决问题的能力。

1 风电场选址软件WindPRO

丹麦国家实验室的WindPRO软件是在WAsP软件的基础上开发的风资源评估和风电场选址软件，基于风资源数据、风电场的实际位置以及待选机型的参数，模拟添加地形粗糙度、障碍物等因素，以精确的风能资源数据分析、高精度的数字地形图、不同的湍流及尾流模型选择等优势，对风电场进行选址和机位排布及优化，估算风电场的发电量。新疆大学购买了正版的WindPRO软件，并利用该软件开展本科专业的风力发电相关课程的教学，理论与实际相结合，把理论公式和原始数据以图形的形式展示给学生，达到很好的教学效果。

WindPRO软件工作流程如下：工程建立→数据输入→数据分析处理→风能资源评估→风电机组选型→发电量预测→环境影响评估→电网接入→考虑损耗的发电量预测→机位优化排布。

WindPRO软件内包含有很多不同用途的模块，可根据不同目的选择使用。其中风电场模块PARK用于计算因尾流效应而产生的阵列损失、计算含尾流模型时的风电场产量，通过对比可以看出尾流造成的产量损失，其中还包括各个扇区的风电产量和各个扇区的尾流造成的损失，从而得到哪个风区尾流损失最大，为最终的风电场风电机组排布优化提供依据。针对本科生风能资源评估的学习，只需掌握基础模块、气象模块METEO和模型模块MODEL。

（1）基础模块：1）项目管理器，项目管理器主要用来建立新项目，在新项目中可以加入制作好的风电场地形图，并提供在线导入某地区风电场的背景地形图功能；2）特殊用途工具，主要有对风电场背景地形图模拟添加等高线、风电机组、气象对象、障碍物、区域对象粗糙度、数字高程地形图下载等；3）风机目录，WindPRO软件提供了目前世界上最先进、最全面的风机对象；4）在线数据服务免费接口，通过在线数据服务接口可下载某区域地形、等高线等。

（2）气象模块 METEO：把从气象站或者现场记录得到的测风数据添加到气象模块中，经过气象模块对测风数据的处理可以得到威布尔分布曲线、风玫瑰图、风功率、湍流强度等。

（3）模型模块MODEL：通过该模块可以和 WAsP软件相结合，可利用WAsP软件得到的结果，进行一系列计算。例如，利用模型模块MODEL和WAsP软件相结合可得到风统计，根据风统计可以得出各种风机在某风电场区域中的发电量、风资源地形图等，风资源地形图是最后进行风电场风电机组排布优化的最关键因素。

2 风资源评估实例

对某风电场一年内的测风数据和地形进行了整理分析，把整理好的测风数据和高精度的数字地形图导入WindPRO软件中，就可得到该风电场的风资源统计数据，如风频曲线图、风能玫瑰图、风向玫瑰图、风廓线图、湍流强度图等。

2.1 新建项目

首先在WindPRO的窗口界面上创建一个图层，在地图上创建适当数量的风电机组，然后将添加的风电机组添加到新建的图层中，其中选择恰当的风力发电机类型也是关键的一步，最后设置适当的每排风机数以及风机间的距离。本文选定的每排风机数是2台，风机间的距离是400m，风机类型是VESTAS V90－2MW，创建风电机组对象后的数字地形图如图1所示。

2.2 测风原始数据分析与处理

为保证风资源统计值的有效性，测风数据导入时需要对数据源进行验证，对测风数据进行相应的处理，剔除错误数据，并在相应的位置上补上合理的数据。需要从代表性、正确性和完整性3个方面核定已有的测风数据，在核定之后我们才可以检验处理的测风数据。合理性检查包含获得的测风数据的最大值、最小值是否都在规定的范围内，有没有超过规定值的数据。数据之间的相关性查验，用于判断某一种数据在不同的高度得到的值是否合理，比如测风数据中的风速值在不同塔高处对比是否合理，各种参数的变化趋势是否合理等。

完整性包括测风数据的个数是否足够，是否按照预定的起始和终止时间，漏测数据的比例是否超过1%等。测量的风速是否超过要求的上下限，数据变化趋势是否符合逻辑变化。

图1 创建风电机组后的数字地形图

2.3 风资源统计图

把整理后的原始风资源数据导入 WindPRO软件，可以得到对象数据表页，该软件以图表的形式显示风资源数据分析的结果，直观反映风能资源的特征值。借助WindPRO软件，学生能够把相关的风频分布曲线、风廓线、湍流强度、风向玫瑰图和风能玫瑰图等理论知识与实际数据形成的图表进行对应，把理论知识形象化，便于消化吸收。

（1）威布尔曲线图和频率曲线图。风频分布常用威布尔曲线图和风频扇区图来表示，如图2所示。

图2 各个高度下的威布尔曲线图和频率曲线图

图2 以实际某风电场测风数据为例，利用WindPRO软件得到各个测量高度威布尔曲线图和频率曲线图，其从10m、25m、40m、60m、70m5个高度显示了威布尔曲线和频率曲线。

（2）风能玫瑰图。风能密度的公式为：

式中，V 为风速，ρ为空气密度值，通常取1.225kg／m3。

风电场风能玫瑰图如图3所示，其中包括了风区的风速大小和频率分布大小，利用 WindPRO软件处理之后可以得到10m、25m、40m、60m、70m高度处的风能玫瑰图。

（3）湍流。利用WindPRO软件得到在10m、25m、40m、60m、70m各个高度下的湍流强度图像，湍流强度可以反映该风电场大气气流波动情况，湍流越小，说明该风电场气流波动越小，越是我们所需要的风电场数据。国际上常用湍流强度I15来衡量湍流强度的大小，即14.5m／s＜v＜15.5m／s风速段内的湍流强度。从统计结果可知：风速越大，湍流强度越小，而且风速很低时湍流强度主要是由大气的稳定程度决定的。

图3 风电场风能玫瑰图

3 结语

本文列举了WindPRO软件在风资源基础知识教学过程中的部分应用实例，较为详尽地说明了相关理论知识与统计图表的关系，介绍了WindPRO软件中的建立工程及风资源统计的方法。在本科教学中，将WindPRO软件与课本理论知识相结合进行了教学实践，发现学生的注意力更加集中，对课本知识的理解掌握更加牢固，并且活跃了课堂气氛，理论与实践相结合的教学方式更能引起学生们的兴趣。

WindPRO软件取风电场的实测数据进行分析，让学生从风能资源特性、风电机组类型、风电场选址方法、尾流影响等方面多角度理解风电场的机组选型和机位排布优化，是理论联系实际的典范。许多学生对 WindPRO软件产生了浓厚兴趣，并积极主动学习软件并利用软件研究有关风电场的其他问题，提高了他们自主学习和独立研究的能力。WindPRO软件在本科教学中的应用取得了良好的效果，增加了学生们的专业技能，更有助于培养风电专业人才。

［1］张润华.风电相关专业课程体系的构建与实施［J］.产业与科技论坛，2013，12（8）：214－215.

［2］任永峰，彭伟，张利宏，等.内蒙古风能与动力工程专业人才培养与课程体系探索［J］.中国电力教育，2013（17）：36－37，44.