基于风资源测评的风电机组选型研究——以辽宁省西北M地区K风场为例

杜春梅 颜庭煜 郑雨涵 俞 洋

(1.河北建筑工程学院信息工程学院，075024；2.国电东北新能源发展有限公司彰东风电场，123200)

基于风资源测评的风电机组选型研究
——以辽宁省西北M地区K风场为例

杜春梅1颜庭煜2郑雨涵1俞 洋1

(1.河北建筑工程学院信息工程学院，075024；2.国电东北新能源发展有限公司彰东风电场，123200)

进行风电场的设计必须要进行机组的选型，这是后续工程设计的先决条件.而在给定地区即风资源一定的的情况下，为了获得最佳的经济效益，就必须高度重视风电机组的选型，其关系到年发电量、总投资成本和运维成本等.本文以辽西北M地区K风场为例，基于区域风资源测评进行了K风场风电机组选型研究.

风资源；风电；机组；选型；分析

0 项目背景

K风电场所处辽宁省西北部M地区，风能资源丰富，地势平坦，交通运输和安装条件较好，适宜规模开发.本项目建设的K风电场49.5 MW新建工程位于拟建设Q升压站(计划220 kV)东面，初步选用33台单机容量1 500 kW的风电机组，并配套建设33座箱式变电站，通过3回35 kV架空集电线路接入Q升压站.

1 辽宁省西北部M地区风资源分析

拟建设的49.5 MWK风电场选址范围内，根据某测风塔数据可知，60 m—80 m高度上，年平均风速为6.59～7.45 m/s；与之想对应的平均风功率密度为365～465 W/m2.按照现行的《风电场风能资源评估方法》(GB-T18710-2002)可以判断，M地区K风电场项目所在区域风功率密度等级应为3级.

判断K风电场所处区域风功率密度等级为3级.

在M地区拟建K风电场所处的区域，从年内变化看，1月～5月与10～12月平均风速和对应的平均风功率密度均属于相对较大，而6～10月的平均风速则相对较小.从风资源分布的时间角度看，风资源具有随季节性变化强烈的特点.从大数据分析每日风资源变化可以得到风资源变化的日变化规律.反映为下午7时—次日8时平均风速与风功率密度相对较大，而其他时段则相对较小.

拟按照的风电机组轮毂高度均在70米附近，根据测风塔70 m高度的风资源数据分析，该高度水平上年主导风向为SW，而年风能主导方向也为SW，具有高度的一致性.分析全年的风资源数据，风向与风能主要方向主要集中在SSW～WSW、NNW～NE扇形区域.分析月份的风资源数据，1月、4月主导风向和主导风能方向均为N；2月、3月、5月～12月的主导风向与主导风能方向均为SW，风向随着季节的变化较为明显.理论上推算K风电场60 m～85 m(轮毂高度)高度处50年一遇最大风速31.5～37.9 m/s；而50年一遇极大风速为49.9～51.6 m/s.根据国际电工协会IEC61400-1(2005)标准判定K风电场新建工程50～85 m轮毂高度适宜选择IECⅢ类及以上等级的风力发电机组.

2 K风场风电机组的初步选型

2.1 K风场初步选型的分析

从国内外尤其是辽宁地区大规模开发风电的经验分析，在现阶段的技术水平和经济环境条件下，对于新建某个风电项目而言，在进行单子容量的计算与确定时，首先应确定一个适合该项目的容量范围，进而在该范围内通过比较技术、经济、成本等诸多要素，选择一中制造水平相对成熟、技术优势明显、机组性能稳定、经济性较好的机组型号.

为了响应国家号召提升风电机组的国产化水平，宜选用国内厂家或国外厂家但在国内装配的机组，根据K风场所处的地理位置，结合风资源特征和机组的运输、吊装条件，在K风场建设中，理论上选择800 kW～2 000 kW的风电机组.根据国内外风电机组的相关参数，结合主要技术要求，初选WTG850、WTG1500A、WTG1500B、WTG1500C和WTG2000五种代表机型进行比选.

2.2 K风场初选的五种风电机组相关参数与特性的对比分析

按照上文初选的五种机型，有关参数如图1和表1所示.

图1 五种机型功率曲线对比分析

技术描述技术数据WTG850WTG1500AWTG1500BWTG1500CWTG2000额定功率8501500150015002000切入风速33333.5额定风速1511.5111112切出风速2122252525安全风速52.559.552.559.570控制方式变浆变速变浆变速变浆变速变浆变速变浆变速功率因数-0.95～+0.95-0.95～+0.95-0.95～+0.95-0.95～+0.95-0.95～+0.95叶轮直径58778282.782.6扫风面积26244656532953205363叶轮额定转速30.817.317.319.518发电机类型双馈异步永磁同步双馈异步双馈异步永磁同步齿轮箱类型1级行星2级斜齿无1级行星2级平行2行星齿1正齿轮无塔架高度556561.5/7075/8080变桨系统三叶片同时变浆独立变浆独立变浆独立变浆独立变浆

3 K风场风机的总体布置

在进行K风场风机机位确定也就是风电机组微观选址的过程中，理论上看，需要考虑到当地的地形地貌特点、风机所在地区的主要风向与主导风能方向，附近地面主要障碍物、民宅(村庄)、尾流等因素.从风力发电机组的能量转换过程上看，风力发电机组把风能转化为电能.从流体力学风力机空气动力学理论上看，风通在过风机叶片后，风速会显著下降并且同时产生湍流，需要足够长的距离才能恢复正常.在环境相对理想的情况下，按照该地区主导风向的实际情况，将风机布置得尽可能间隔很远，以减少风机之间的相互影响.但是对于一定区域而言，风机的布置距离直接影响风电场的占地范围，也就是将大大降风电场单位面积上的风电机组数量.而风机之间的距离又决定了集电线路的长度、风机巡视检修的道路长短，还要考虑是否覆矿、占地等综合因素.因此需要相对集中的进行风机的布置.在机组位置的确定中，往往还需要根据具体的条件和要求，因地制宜，结合风场大环境的地形特点，风力发电机组的特性参数，装机容量与台数等，进行围观选址，来确保在现有状况下，实现最大的年利用小时数和最小的成本.

拟建设的K风电场场区位于平原和山地过度的丘陵地形，从地形上看地势起伏波动较大.从风资源数据上看，项目区域内，主要风向和风能方向具有较强的一致性.盛行风向相对稳定.考虑到K风场所在区域有村庄、基本农田保护区、退耕还林区、防护林等，在实际选型过程中，需要考虑风机与上述地理环境和人文环境的距离，为了后期运行检修的便利性和减少输电线路损耗，应该将风机布置的相对集中，同时尽量避免尾流对临近风机可能造成的影响，以充分利用土地资源，降低征地成本，最大限度的实现对风能资源的科学利用.

在实际进行微观选址的过程中，采用WindFarmer软件，在风资源相对集中的区域进行机位的确定.按照“软件确定、人工修正、综合考虑”的基本原则设计风机的理论位置，根据风机的理论位置进行年发电量的计算，通过比较不同的设计方案，来实现最大利用小时数(最大发电量).以增加经济效益、降低建设成本为原则，考虑多重设计方案并进行优化.

K风电场地所处区域形较地势情况相对复杂，风电场总装机容量49.5 MW不变的情况下，可以按照前文初选的五种机型，分别按照符合装机容量的风机数目方案机型布置与计算.

4 轮毂高度的优化选择

所列参与选择的五种机型，根据厂家给出的标准空气密度下的动态功率曲线，计算各个机型分别在不同轮毂安装高度下的发电量.WTG1500A，WTG2000机组厂家推荐了相同的安装高度；分析比较WTG850、WTG1500B和WTG1500C三种机型在不同轮毂高度下，理论计算的发电量，结果显示：WTG850风机轮毂安装高度由55 m变为65 m时，理论发电量增加了6.1%；WTG1500B风机轮毂高度由61.5 m增加到70 m时，发电量增加了3.3%；WTG1500C风机轮毂高度由65 m增加到75 m、80 m时，发电量分别增加了4.4%、6.3%.

根据上文，可以明显看到随着轮毂高度的增加，理论发电量均有较大的增加，但是必须引起重视的是.轮毂高度的增加势必会导致塔筒的运输成本、安装成本和风机的安装成本有显著的增加，而由于轮毂高度增加导致的塔基投资成本和塔筒购置成本也会显著的增加.按照五种比选的机型，结合国内相关厂家的技术水平、生产情况和商运后的安稳情况等，K风电场建设项目参与比选的五种机型，理论上最适宜的轮毂高度分别为WTG850为65 m，WTG1500A为65 m，WTG1500B为70 m，WTG1500C为75 m，WTG2000为80 m.

5 各机组发电量的优化选择

理论上，参与比选的五种机型均按照单一机型布置方案进行，即在满足风电场额定装机容量的情况下，有且只有一种参与比选的机型.利用WAsP和WindFarmer软件，可以从理论上估算上述五种机型布置的风场的年理论发电量，使用软件可以直接计算风力发电机组不同布置方案中的尾流损失，如表2所示.

表2 不同布置方案中的尾流损失

而在进行发电量的优化选择中，往往还需要根据空气密度、尾流、湍流、叶片污染、风机可利用率、功率曲线正确性、站用电损耗、极端天气停机、恶劣天气降容等因素，还需要引入折减系数，得到比选机型的年理论上网电量.

6 五种机型的综合经济性比较

进行K风场风机选型的设计过程中，往往不能单一的认为某种机型好或者不好，除了年理论发电量、年利用小时数、等效满负荷运行小时数这些直观的数据外，还需要综合考虑道路、箱式变压器、电缆、集电线路、升压站等多种对项目投资或者利润会造成直接影响的因素.在充分考虑国内新建风电场对设备国产化率的要求，结合风机等设备的价格情况，对参与比选的五种机型进行综合比较与排名，最终确定符合K风场的风力发电机组选型与机位情况.

特别需要注意的是，在综合经济性比较的过程中，增值税率、维修费、折旧费、材料费、保险费等基础成本计算指标的取值都应该是相同的.各种方案对比如表3所示.

表3 各种方案对比

7 K风电场机组选型的结论

在给定K风电场选型的建议结论和推荐意见时，主要综合考虑以下四个因素来确定相关的方案.一是比选机型的年理论发电量、利用小时数等直接的技术数据；二是每个项目方案投资经济指标是否合理，项目建成投产后的抗风险能力.三是该方案上网电价低，即考虑综合技术经济指标优越的机型方案[1]；四是能够符合国家电网与相关主管部门的最新规定与标准.

根据表7综合经济性比较分析可知，WTG1500B风电机组在理论发电量、静态投资、单位千瓦投资、度电成本等指标与其他四种机型相比具有较明显的优势.

2009年4月14日国网公司印发了《国家电网公司风电场接入电网技术规定(修订版)》(以下简称《技术规定》)和《国家电网公司风电场接入系统设计内容深度规定(修订版)》(以下简称《深度规定》)的通知.《技术规定》第8.1条中提出了对风电场低电压穿越的要求，并明确指出对于目前尚不具备低电压穿越能力且已投运的风电场，应积极开展机组改造工作，以具备低电压穿越能力[2].

对于双馈感应式发电机，从电力电子上分析，在电网出现问题导致电压跌落的情况下，会导致双馈感应式发电机转子侧过流，而转子侧过流会直接导致变流器直流侧电压的升高，间接导致变流器的电流、有功和无功产生振荡.过流会损坏变流器，而过压会使发电子转子绕组绝缘击穿.

在为K风场选型中，根据厂家提供的相关技术资料，推荐选择的WTG1500B型风电机组采用了转子短路保护技术，通过对变流器的电流和转子绕组电压的限制保护，以此来维持发电机不脱网运行.以满足“风电机组具有在电网出现问题导致电压跌落后能够保持并网运行0.625 s不脱网的低电压穿越能力”和“风电场并网点电压在发生跌落后3 s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行.”的技术要求.

综上分析，在新建的K风电场项目建设过程中，总额和比选五种机型的向光方案，推荐采用WTG1500B型风机，根据风电场装机容量，理论应安装33台WTG1500B型风电机组，推荐轮毂安装高度为70米.相关设计方案和比选方案可以作为风机围观选址、优化布置、线路设计等相关工作的技术依据与参考.

8 结 语

本文以辽宁省西北部M地区K风场为例，介绍了基于区域风资源测评的风电机组选型研究.从理论上选择了最适合K风场安装的WTG1500B风电机组，以K风场能取得最大的经济效益.

[1]杨光.风电场工程可行性分析的关键技术与方法[D].华北电力大学(北京),2013

[2]中国电力出版社. “Q / GDW 432—2010风电调度运行管理规范”[M].中国电力出版社,2010

Research on Wind Turbine Selection Based on Wind Resource Assessment——A Case Study of K Wind Power Field in M Area of Northwest of Liaoning Province

DUChun-mei1，YANTing-yu2，ZHENGYu-han1,YUYang1

(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei 075024;2.Zhangdong Wind Power Field,Northeast New Energy Development Co.,Ltd,State Grid)

To design wind power field,the wind turbine must be selected first,which is the prerequisite of subsequent engineering design.In a given region with certain wind resources,in order to obtain the best economic benefit,great importance must be attached to the wind turbine selection,which would influence the annual generating capacity,total investment cost and operation cost.Taking K Wind Power Field in M Area of Northwest of Liaoning Province as an example,based on regional wind resource assessment,wind turbine selection of K Wind Farm is research in this paper.

wind resource;wind power;turbine;selection;analysis

2016-06-20

杜春梅(1979-)，女，副教授，从事计算机应用技术研究.

TM 315

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