山地风电场测风塔选址研究

文 | 杨济畅，包振海，余美辰

风电场设立测风塔的目的是为了能够准确反映将来风电场内的资源情况，为风电场的风资源评估、微观选址提供数据支持。据统计分析，测风数据10%的误差可能导致风电场年产能30%左右的误差，而因为风资源数据不够准确，导致湍流、极大风速等判断失误，甚至会从根本上影响一些机位的载荷计算与判定，为后续风电场安全运行埋下了极大的隐患。

目前主要的测风塔选址方法是利用一些现有的中大尺度数据平台（例如3TIER，远景能源的格林威治云平台）进行资源的初步分析并布置风电机组，在此基础上根据资源情况结合机位对测风塔位置进行预判。但是随着目前国内风电开发区域已经逐步向着年平均风速5.5m/s甚至5m/s的区域转移，年满发等效小时数也逐步向着2000h甚至1800h迈进。这些区域对风资源评估的准确性提出了更高的要求，一旦评估出现误差，就可能导致项目投产后出现亏损。而针对这些低风速项目，以往的方法都存在精度不足的问题，容易导致测风塔位置、数量、高度等不够合理，放大后续风资源评估及微观选址等的不确定性，而且一旦测风结果不理想，放弃项目也容易造成浪费。因此必须寻求新的测风塔选址方法，使得测风塔选址更加标准化和精确化，测风数据对于后期风电场机位更具代表性。

此外，风电场在建设完成后，场区内的测风塔会受到风电机组尾流的影响，测得数据已经无法代表风电场真实风资源状况，很难满足风功率预测的需要，而重新立塔必然会造成一定的资金浪费。因此在现有的技术基础上，运用目前最常用WT资源评估软件，结合精度较高的中尺度数值模式，找到一种精度较高、较为合理且易于实施，能同时满足前期风资源评估和后期短期、超短期功率预报的测风塔位置判定方法是目前研究的主要方向。

基于流场模拟的测风塔位置初判

随着流场模拟技术（CFD）的逐步成熟和在风电领域的大规模应用，借助流场模拟技术进行测风塔选址已经变得完全可行，进行流场模拟的前提是进行网格划分（图1），即将整个项目区域及周边划分为多个扇区，每个扇区在水平及垂直上划分为数以千万计的三维网格，在现有技术条件并保证计算速度的前提下，最小的网格分辨率可达水平10m，垂直3m，保证分析结果能够准确反映局部地形、地貌的变化对微观流场产生的影响。利用软件逐网格求解NS方程，准确模拟地形起伏变化及地表粗糙度对风流的影响，最终实现对整个项目区域的流场分析。

在最终完成项目区域流场模拟后，即可进行测风塔位置初选。影响风况的风流参数主要有风加速因数、湍流强度、水平偏差和入流角。测风塔位置应满足如下条件：

图1 多重网格求解及流场模拟示意图

（1）所选区域风加速因素处于风电场整体平均水平。

（2）所选区域湍流强度最小。

（3）所选区域水平偏差值绝对值最小。

（4）所选区域入流角绝对值最小。

以上条件与进行常规测风塔选址时的要求是相通的，测风塔选址时要求测风塔附近无明显障碍物遮挡、避免受气流畸变影响，反映在CFD分析图谱中即是要求选择湍流强度最小、水平偏差及入流角绝对值最小的区域。

示例项目初判结果

此次预开发项目位于东北某省市，开发容量49.5MW。该项目区域地形条件较为复杂，场址规划范围为一条高低起伏的山脊，山体最大落差约300m左右（图2）。

借助Meteodyn WT和项目区域地形图、粗糙度图对该区域进行流场分析，最终获得相关分析图谱。然后根据图谱及上述初选基本原则，即可初步确定测风塔位置。例如根据湍流强度图谱，初步确定的测风塔可安装位置如图3所示，图中白色圆圈标出的紫色最深区域即为整个项目区中湍流强度最小的区域。再根据风加速因数、入流角等约束条件，最终选出的重叠位置即为测风塔初选位置（如图4中白色多边形所示）。

中尺度模式在测风塔选址中的应用

在利用CFD流场模拟技术初步确定测风塔备选区域后，并不能确定测风塔的准确位置，必须结合中尺度数值模拟进行微观选址，利用风资源图谱确定所有风电机组最优点位，根据点位及测风塔代表范围，确定测风塔具体位置。

图2 项目区域卫星图

图3 湍流强度分布图

图4 测风塔初选位置

随着计算机运算速度的不断提升，在复杂地形条件下进行精确的中尺度气象数值模拟已经变得十分快捷，而经模拟得到的数据分辨率甚至可以达到1km×1km。以目前国内技术水平，可以将同位置中尺度模拟数据与实测数据的平均误差缩小到7%以内，再利用“降尺度”手段，实现模拟数据与实际地形的嵌套，提高风资源图谱空间分辨率，即可以满足风电场初步风资源评估的需求（图5、图6）。在拟开发项目区无测风塔实测数据的情况下，中尺度气象数值模拟可以快速准确地判断项目的整体风资源状况，能够作为项目是否开发立项、是否立塔的重要决策依据。

结合微观选址的测风塔位置复选

根据项目规划容量进行初步的微观选址，因不确定未来风电场选用机型功率大小，故进行微观选址时应选择适合当地中尺度数值模拟结果及气象数据所展现的风况和气候状况且功率较小的风电机组。例如一个风电场规划容量49.5MW，目前国内主流风电机组中功率最小的风电机组一般为1.5MW，故应选择布置至少35台1.5MW的风电机组（一般选取数台风电机组作为测风塔备选位置）进行微观选址，确保测风塔最终能够代表该区域内所布置的绝大多数风电机组机位处风况。

在完成微观选址后，即可根据测风塔在不同地形、粗糙度下的代表性范围，将合适的风电机组点位替换为测风塔点位。这样一来，不但可以保证测风塔受气流畸变等不利因素的影响较小，而且在未来进行微观选址设计时，测风塔的代表性范围及数量能够真正覆盖绝大多数风电机组。

为保证风电机组布置与最终风电场设计结果不会产生太大差别，机组选型及布置应遵循相关的国家标准及行业规范，例如风电机组应满足安全等级要求，机组排布应选择风资源分布较好的区域进行风电机组排布，兼顾风电机组运输吊装的难易程度等。

测风塔立塔方案比选与确定

依然以上述项目为例，此次选用某厂家的WTG82-1500型风力发电机组，共布置有35台风电机组，考虑到项目地形及风电机组位置，可将图4三处白圈内的两台风电机组机位替换为测风塔位置。根据表1中提到的测风塔代表性范围，并结合实际地形分析，该项目测风塔最大代表半径不应超过3.5km，最终两个测风塔应该能够代表整个项目区域的各风电机组点位处的风况。

选择图4上部白圈中的T1及中部白圈中的T16机位作为测风塔位置，根据代表性半径，最终代表范围如图7所示。

由图7可以看出T1及T16两处机位作为测风塔位置虽然可以满足整个风电场的代表性要求，但是风电场最下方10多台风电机组处于代表性半径的黄色圆圈边缘地带，而处于该黄色圆圈中心地带的风电机组仅有5台（图7中绿色方框内），且两个测风塔代表性范围还有重叠部分，故该方案并非最优。

图5 中尺度数据模拟流程图

图6 降尺度计算示意图

表1 不同地形下测风塔的代表性范围参考半径

选择图4上部白圈中的T1风电机组与最下部白圈中的T3风电机组作为测风塔位置，根据代表性半径，最终代表范围如图8所示。

可以看出以T1及T3机位作为测风塔位置时，测风塔代表性范围依然能够覆盖全部风电机组机位，仅有两台风电机组（图8绿色方框内）处于T3位置测风塔代表性边缘地带，但是风电场最南方的十余台风电机组风况代表性可以达到最优。故初步确定T1及T3机位作为测风塔位置。

针对风功率预测的测风塔最终定位

根据风电场风流参数定向计算选出的测风塔位置，可用于前期的测风数据积累，用于风资源评估。但是一旦项目开工建设，风电机组吊装后，由于尾流、湍流的影响，原有的测风塔不一定适用于进行短期、超短期风功率预测，但是重新立塔不但费时费力，同时也造成了资源的浪费。因此，应该在测风塔位置复选的基础上，对暂定替换为测风塔的机位进行再次分析，争取选出既能够满足前期评估，又可以满足后期功率预测的测风塔点位。

为了满足风功率预测的需要，要求测风塔位置在能够代表场区风资源状况的基础上，尽量消除尾流、湍流的影响，同时在一些主要的迎风方向上，风加速因数应该接近风电场平均值。一般情况下，完全没有尾流影响的测风塔位置是不存在的，因为那样就会失去对布机区域风况的代表性。借助于流场模拟，可以对完成布机后的风电场进行定性分析，获得每一个机位处的风流参数，即可判断机位对于风功率预测的适用性。

图7 测风塔代表性示意图（代表半径3.5km）

图8 测风塔代表性示意图（代表半径3.5km）

示例项目测风塔的最终定位

根据前期中尺度数值模拟分析（图9），发现该风电场主导风向为北风，该方向风向频率高达48.21%，因此测风塔位置在主导风向上应该无风电机组遮挡，且风加速因数应该适中。

对T1及T3周边机位进行分析，如表2及表3所示。从表2可以看出，T32机位处尾流影响最小，但是风电机组高程、平均风速明显低于平均水平，且湍流、入流角过大，对于风电场整体风况代表性不足。相比而言T1机位处尾流的影响相对较小，且高程、平均风速、湍流强度、入流角、盛行风向风加速因数等值均更接近风电场平均状况。综上所述，T1机位既可作为资源评估的测风塔位置，也可作为后期风功率预测的测风塔位置。

从表3可以看出，受尾流影响最小的为T4机位，尾流折减率只有1.8%。虽然T23与T35机位高程、平均风速更接近平均值，但是湍流、尾流影响相对较大。T18、T21机位处海拔高程、平均风速及盛行风向风加速因数过大，T3、T4和T9机位各参数接近，故选择湍流最小、尾流影响最小的T4机位，替换T3机位，作为最终的测风塔位置。

图9 中尺度数据风向玫瑰图

表2 T1风电机组周边机位分析数据统计

表3 T3风电机组周边机位分析数据统计

图10 最终的测风塔位置及代表范围

最终T1位置不变，T3位置替换为T4，即可得到最终的测风塔位置（图10），用以同时满足前期评估及后期风功率预测的需求，风电机组尾流对测风塔剩余的尾流影响已经比较微弱，后期可以通过修正风功率预测系统的计算逻辑来进行修正。由于地形图、粗糙度图的精度影响，所获得的测风塔点位还应进行现场确认，必要时进行微调。

结论

本文提出了一种新的测风塔选址手段，通过流场模拟将以往复杂的测风塔选址经验或原则转化为更为容易寻找和判定的风流气象参数，最终成功通过量化的参数找到适合测风塔布置的最佳区域，从根本上避免因为测风塔位置选择不合理而导致的数据收集质量差，甚至产生畸变的问题。随后再通过贴合实际的微观选址来判定测风塔代表性好坏，保证求得的测风塔位置及数量能够满足后期绝大多数机位的评估需求。最终通过分析各机位风流参数并局部微调选择出既可以用于前期风资源评估，又可以用于后期风功率预测的测风塔位置。

摄影：邱岳东