复杂地形对低风速风电场的影响

董 云 博 刘 辉 高 飞 李 德

（1 河北鲲能电力工程咨询有限公司 河北石家庄 050000 2 石家庄市分布式能源设计工程技术研究中心 河北石家庄 050000）

引言

根据低风速电场风能资源的特点，研发出在低风速电场适用的低风速风机具有很大的市场。根据能源行业标准《低风速风力发电机组选型导则》 对低风速风力发电机组的相关定义——低风速风电机组，适用于标准空气密度轮毂高度处代表年平均风速不高于6.5m/s、风功率密度不高于320W/m2风能资源条件下的风力发电机组[1]。复杂地形多指海拔起伏较大的山地。受地形影响，风向多不集中，风速、风切变、湍流强度等风能资源要素多变化较大，会对低风速风机产生巨大影响。

1 复杂地形影响风速及风向

风速的变化主要受地形和海拔高度的影响。在复杂山地中，风速的变化有的是地形起主导作用，有的是海拔高度起主导作用，有的是两者同时主导变化。所以，在复杂山地中，单一测风塔的代表性一般不足，利用软件推断风机位处风能资源时误差会变大。

例如，广西某山区拟开发一座风力发电场，场内有两座测风塔，编号分别为#1、#2，两塔相对位置如下图1 所示，

图1 测风塔相对位置示意图

其中，#1 塔海拔高度为977 米，年均风速为4.03m/s；#2 塔海拔高度为859 米，年均风速为6.13m/s。该地区主风向为N-NNE扇区，次主风向为S 扇区。

两座测风塔相距不足7km，但是风速相差较大。同时，海拔高度较高的#1 测风塔年均风速反而远远低于#2 测风塔。所以，该地区风速受地形影响比较严重。主要原因是#1 测风塔主风向上有高海拔突起山体，而#2 测风塔主风向以及次主风向上均没有高海拔山体对其遮挡。所以，在复杂山区，风速受地形影响比较严重。

风向主要受地形影响，海拔高度基本不对其产生严重影响。由于地形的多变，多会造成风向分布散乱。可能会导致低风速风机在发电量预估上产生比较大的误差。所以，受地形影响的风速以及风向会导致低风速风场发电量预估误差不可控。进而导致低风速电场财务评价以及收益率计算的偏差[2]。

针对风速和风向受地形影响的情况，应在风场范围内适当多树立测风塔。障碍物、山体突起、代表性以及地形的走势等方面都是测风塔选点应该注意的重要因素。收集到更多场内实测风数据，通过多塔综合计算、交叉对比、相互校验等手段，使得低风速电场前期发电量预估误差尽可能小。进而得到更客观的财务评价和收益率，可有效预估项目是否可行，以达到规避风险的目的。

在获得实测风数据后，如何在现有测风塔和地形图的基础上，更准确地模拟风电场风能资源和进行风场建模成为关键问题。据此，我们从以下三个方面出发：

第一，细致处理测风数据，合理检验，选取具有代性的完整年数据；测风塔实测数据整理完善、准确，具有长期代表性，以此保证测风数据输入条件的可靠性。

第二，大比例尺地形图实地测量，以此保证地形图的准确性和实时性；采用大范围地形图，充分考虑地形以及周边风电场之间的影响，充分模拟出场址区域在整个区域之内的风资源分布情况。将风场其它风场机位加入模型中；粗糙度分等级细化赋值同时与实际地物相结合等，充分模拟地表植被对风场内机位局部微观的风速的影响，保证风场建模的真实性和准确性。

第三，在此基础上，同时选用合适的数值模拟方法，多管齐下，最终保证对整个风场的风资源模拟准确。

2 复杂地形影响风切变、湍流强度、入流角

风切变、湍流强度以及入流角等因素是机组选型的重要依据。

风切变是风机轮毂高度选择的重要依据之一。风切变受大气稳定性影响，在复杂山区，地形变化大，气流变化复杂，风切变也变化多端。同时风切变可能因为地形的原因（坡面、狭管、沟壑等）导致风的加速或者减速，甚至产生负切变。在利用风切变推导轮毂高度处风速时，可能会由于风的加速或者减速效应，从而导致误差，选错机型。

针对复杂地形的风切变计算，可收集多测风塔的实测风能资源数据分析风切变与地形之间的相关性，建立拟开发区域地貌与风切变模型，并利用流体力学相关公式进行风切变的综合拟合修正。湍流强度与入流角都对低风速风机的安全性有重要影响。一个风电场的运行生命周期是20 年，在不同风况下都能保证风机的安全性是前期设计和风机厂家的重要责任之一，风机选型就成为重中之重。湍流强度和入流角都可以影响风机的安全性。其中，湍流强度通过测风塔实测数据计算得出。湍流强度由风速偏差与平均风速相除计算获得，风速偏差与平均风速均由测风塔测量获得。所以根据上文“复杂地形影响风速及风向”中的相关论述，可有效避免湍流强度误差带来的风险。但应该注意的是，在复杂山区，应对风机位进行逐台湍流强度分析，并针对复杂山区的地形进行综合考虑拟合分析。避免湍流强度给风机带来安全隐患，进而影响风电场的发电量。

入流角完全因为地形产生。以下措施可以较为有效的避免入流角带来的风机安全隐患：

（1）对风电场进行逐台入流角分析，并根据分析结果进行风机位的优化设计；

（2）微观选址阶段做好室内风机位优化的前提下，做好现场的踏勘，并针对现场踏勘中存疑的风机位进一步优化。

3 复杂地形影响造价及施工难度

在复杂低风速区域，除风能资源带来的困难外，其他建场难度也很大。比如在道路方面，在复杂山区，风电场进场道路以及场内道路等都会远远比平坦地区的造价高，难度大；在集电线路方面，对比平坦地区，复杂山区的风场造价高1.5-2.0 倍左右。可见，很多方面都会在造价方面带来困扰。

基于复杂山区风电场造价高的难题，尽可能准确预估发电量并提高发电量就变得尤为重要。准确预估发电量，可以准确计算项目收益率，做出更为客观的财务评价。同时，在合理范围内，尽可能提高发电量，比如，选用更适合的轮毂高度，选用更适合的机型，尽可能优化风机位等。

结语

（1）在复杂地形的低风速发电场，风速和风向会受地形的很大影响，在合适的位置，树立适当数目的测风塔，可以更为精确的评估拟开发低风速区域的风能资源。

（2）准确评估拟开发区域的风能资源的前提下，仔细分析风切变、湍流强度以及入流角等因素，选用更合适的轮毂高度以及风力发电机组。确保尽可能提高发电量的同时，确保风电场的安全性。

（3）选用更适合拟开发区域的低风速风机，并优化风机位、道路以及集电线路等因素，有效控制风电场造价，是低风速风电场建场的前提和根本。

（4）做好风电场前期评估和分析，使拟开发风电场财务评价和收益率计算更客观，有效避免风电场建设以及后期运行风险。