浅析低风速风电场的开发——以罗圈岩风电场为例

2016年发布的《风电发展“十三五”规划》提出，应加快开发中东部和南方地区陆上风资源，提升中东部和南方地区风电开发利用水平。因中东部和南方地区以低风速为主，故推动低风速风电技术进步，因地制宜推进低风速风电场开发建设尤为必要[1]。

本文以四川省广元市罗圈岩风电场为例，介绍了低风速风电场的风能资源特点，即年平均风速较低且产生的年利用小时数较低；分析了低风速风电场的开发难点，如风速较低、风电补贴下降、风速和风向波动大、地理条件复杂和气象恶劣等；提出了低风速风电场的开发策略：应合理确定风电场规模、优化风机选型、合理选择轮毂高度和精细化微观选址，从而提高了风电场的经济效益，为低风速风电场的开发建设提供了宝贵的经验。

低风速风电场的风能资源特点

罗圈岩风电场位于四川省广元市朝天区境内。该风电场距离广元市区约40km，场址中心地理坐标约为东经106°0’28.80”、北纬32°39’11.58”。整个风电场场址内由两条近西南-东北走向的平行山脊组成，海拔高度介于1210m-1600m，场址总面积约26km2。

罗圈岩风电场场址内立有4座测风塔，编号分别为1605#、9990#、5093#和5350#，4座测风塔均匀分布于场区且代表性强。4座测风塔代表年内风速分别为5.09m/s、5.4m/s、5.67m/s和5.69m/s，主导风向为NNE～NE。采用Meteodyn_WT5.3.2软件对罗圈岩风电场进行电量计算后，风电机组轮毂中心高度的年平均风速为5.53m/s，年利用小时数为1897h，场区内代表测风塔在3m/s～7m/s风速段的频率较高。

行业普遍认为低风速风电场是指风电机组轮毂中心高度的年平均风速在5.3m/s～6.5m/s之间，年利用小时数在2000h以下的风电场，其一年内风速介于3m/s～7m/s的频率较高。由此可见，罗圈岩风电场属于典型的低风速风电场，该风电场的优化设计能为低风速风电场的开发提供宝贵的经验。

低风速风电场开发难点

风资源相对较差且风电补贴不断减少

一方面，罗圈岩风电场位于我国西南地区，属于IV类资源区，场区内4座代表测风塔轮毂高度85m处平均风速介于4.89m/s～5.69m/s之间，风资源相对较差[2]。另一方面，我国风电补贴将分类型、分领域、分区域逐步下降，根据国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，到2020年，实现风电与煤电上网电价基本相当。项目场区风资源相对较差，且随着风电补贴不断地减少，将影响项目整体收益水平。

风速及风向的波动大

罗圈岩风电场场址内地形、地貌、气象条件较复杂，风速风向受气候影响明显，受地形影响较大。例如，在地形陡峭的区域，风在爬坡过程中，下层的气流受到明显的挤压，根据通量守恒，下层气流加速效应大于上层气流，若加速后的低层风速比更高层的风速大，则易出现负切变；项目场区不同地形接受辐射不同、增热和冷却不同，会形成方向迥异的坡风和山谷风，导致风向变化较大。风电机组叶片处于大气流动中，由于湍流、风切变、阵风等因素，风速及风向的变化影响前期风资源评估准确性，从而增加项目评估难度[3]。

地理条件复杂

罗圈岩风电场场址区位于侵蚀溶蚀中山顶部，山顶高程一般在1400m～1700m，沟谷高程900 m ～1000 m，高差约500m～800m。山体两侧斜坡坡度一般为20º～50º，局部坡度大于50º。风机所布位置为山脊部位，地形起伏较大，山高陡峭，浅表部主要为坡残积覆盖层。场址内民居、交通、线路、地质和环保等信息相对更复杂。风机安装平台和场内道路设计较复杂，施工整体条件差、代价高，土建工程投资在总投资中的比重较高[4]。

气象条件恶劣

罗圈岩风电场气象条件复杂，由场址附近的广元气象站的历年统计资料可知，历年极端最高气温37.9℃，历年极端最低气温-8.2℃，历年最大日降水量185.9mm，历年平均降水量941mm；历年平均冰雹日数0.4d，历年平均年雷暴日数29.1d。各种极端的气象和天气条件要求风机适应性强，具备更高的可靠性。

低风速风电场开发的策略

合理确定风场规模

在对外交通和场内运输条件一定的情况下，采用大容量机组可以有效地减少机位点数量，扩大整个风电场的装机容量，实现风电场资源最大开发，提高整个风电场的经济效益[5]。罗圈岩风电场工程场区面积有限，经反复比选后，拟采用机型混装方案，对风速模拟结果中资源最好的20台风机位采用2.5MW机组，其余27台机位则采用2.0MW机组。该机型混装方案能使投资回报率最大化，整体上可提高风电场的经济效益，实现风资源最优开发。

故罗圈岩风电场拟安装27台单机容量为2MW的风电机组和20台单机容量为2.5MW的风电机组，风电场建设规模为104MW。

优化低风速风机选型

对于低风速风电场风资源的开发，在风机选型时需考虑风能转换效率进行合理选型，本处可采用加长叶片的低风速风机增加发电效率[6]。

罗圈岩风电场拟采用27台单机容量为2MW的风力发电机组，该机型超长型叶片直径有116m和127m两种，随着风电机组叶片直径的加长，风电机组的发电量将随之增大。当叶片直径从116m提高到127m时，风电场年上网电量增加281万kW h，风电场年等效满负荷利用小时数增加37h，故加长叶片的低风速风机可显著增加发电效率。

合理选择塔筒轮毂高度

一般而言，轮毂高度的升高会带来发电量的提升，但是选择更高的轮毂高度随之而来的是更重的塔筒、更大的基础，以及运输、吊装等费用的增加。轮毂高度的选择与风切变息息相关，当风切变较小时，发电量收益小于轮毂增高的投入，需选择低轮毂方案。反之，当风切变较大时，需选择高轮毂方案。

考虑到罗圈岩风电场初步选定机型的技术质量，按其机舱重量和转轮直径要求，配套的标准塔架轮毂高度为85m和90m。随着风电机组轮毂高度的抬高，风电机组的发电量将随之增大，塔筒的重量也随之增加，与此同时，由于风力机受力条件的改变，将对基础设计提出更高的要求，增大了设备投资、风机基础和安装费用。

罗圈岩风电场项目所在地属于IV类资源区，且项目于2017年核准项目，风电标杆上网电价为0.60元/kW·h（含增值税）。当轮毂高度从85m提高到90m时，风电场年上网电量增加159万kWh，风电场按运行年限20年考虑，考虑折现率，风电场收益折现值为984万元。增加的投资为塔筒投资、基础环投资和安装费用共1100万元。故当塔筒高度为90m时，发电量增加的效益小于风电场增加的投资，说明85m轮毂高度方案的经济型较好。

精细化微观选址

微观选址和机组排列布置的精度，在宏观上决定了低风速风电的利用效率。低风速风电场在机组布置时，应优化场内新建道路和平台的设计，以降低土建工程投资在总投资中的比重；应优化集电线路布置，以减小场内电能传输损耗；在考虑尾流影响时，不拘泥于目前国内风场布置标准，因地制宜，以效益为导向综合考虑。

对于罗圈岩风电场，在满足全场发电量最大、单机尾流损失控制在一定范围内的条件下，以风能资源分布为主，兼顾施工安装场地、道路交通等因素，选择合适的点位布置风力发电机组。

结语

基于我国低风速区域市场空间将逐步加大的趋势，本文重点对低风速风电场的开发难点和开发思路及措施展开了分析和探讨，提出了低风速风电场的开发策略，包括合理确定风电场规模、优化低风速风机选型、合理选择轮毂高度和精细化微观选址，以期为未来的低风速风电场开发建设提供参考与借鉴。