浅谈风电机组选型匹配的方法

内蒙古电力勘测设计院有限责任公司 孙立新

通过风能资源的全面普查和评估，内蒙古风能总储量为8.98亿千瓦，技术可开发量为1.5亿千瓦，占全国风能资源技术可开发量的50%，居全国首位。内蒙古地区10米高度可开发利用的风能储量为1.01亿千瓦，50米高度可开发量为2.02亿千瓦，年大于3.0米/秒风速的时间在5000～6000小时，风能丰富区面积占全区总面积80%左右，具有分布范围广、品位稳定度高等优点。内蒙古发展风力发电优势明显，风力发电项目遍地开花，成为发展新能源的主要市场之一。截止到2020年底，内蒙古风力发电并网装机容量达3786万千瓦，增长29.7%。

随着全国风力发电机制造的国产化和风力发电的规模化，风力发电效率对风电场的运营有举足轻重的作用和深远的影响。我国风力发电场分布较广，不同区域地理特征、气候条件各不相同，风能资源条件差异较大，而我国风力发电机组是定型产品，仅能通过风电机组选型及适应性分析，确定风力发电场工程建设方案，未能完全反映出充分利用风能资源、提高发电效率及风电机组选型合适匹配。

1 风能资源评估过程及风电机组选型

评估风力发电场的风能资源，是开发风力发电项目的基础工作。首先宏观选址，需综合考虑当地的风能资源、经济、电网、交通、施工、地质等多方面的因素；其次评估风力发电场选址及风能资源适合开发性优劣指标，以求最大利用风能资源；其后对风力发电场风能资源进行分析、评估。

通过对风力发电场测风塔原始资料整理、验证及测风年数据合理性检验处理，将测风年实测数据订正为该风力发电场代表年风能数据，计算出测风塔处代表年不同高度的风速、风功率密度、风能频率分布、风向频率、风能密度方向分布、风频曲线、威布尔参数、风切变指数及湍流强度。

评估风力发电场风能资源包括平均风速、极限风速。对给定的风力发电场区域及时间段，平均风速的概率分布决定了该风力发电场的风能资源情况。用于拟合平均风速概率分布的模型有双参数Weibull 分布、Rayleigh 分布、LogNormal 分布等，其中双参数Weibull 分布模型应用最为广泛。极限风速是指在一段时间(3s、10min）内的最大风速，用来衡量风能资源对风力发电场的破坏作用。极限风速分布是风力发电场工程设计以及安全运行的一个重要参数，有多种描述极限值分布的分布形式，其中第一类极值分布或称为Gumbel 分布是一种拟合极值分布的经典、常用形式[1]。

通过确定风电机组单机容量、发电机类型、风机轮毂高度，考虑风电机组安全的统一性进行风电机组选型，根据风电机组机型的技术特征参数，拟定风电机组布置，利用在标准空气密度下的风电机组功率曲线，对风电机组发电量、经济性，以及运输、吊装条件、集电线路、占用土地等方面对比，初步确定风电机组型式，最后对选定风电机组机型进行机位优化布置[2]。

在拟定风机轮毂高度时，首先确定风机轮毂高度处风能资源状况，即轮毂高度处代表年平均的风速、风功率密度及等级、风向频率、风能密度方向分布、风频曲线及威布尔参数、湍流强度值及50年一遇最大风速和极大风速，并提出对风电机组安全等级要求。当风机轮毂高度高于测风塔高度时，利用风力发电场代表年不同高度风速系列拟合风机轮毂高度处风切变值，采用指数律对测风塔近地面风廓线分布规律进行拟合。

风切变指数计算：∂=lg(v2/v1)/lg(h2/h1)，其中：∂为风切变指数，无量纲；v1为h1高度的风速，m/s。风切变指数可描述风矢量在垂直方向上的空间变化情况，风电机组选型时，风切变越大，在满足机组运行安全与施工条件下，应提高轮毂高度。陕西省某50MW 风电场工程拟定风机轮毂高度90米，选取单机容量2200～2500kW 共4种不同类型风电机组进行比选（表1）。

表1 风电机组机型特征参数表

图1 风电机组功率曲线图

图2 风电机组功率标幺曲线图

风电机组装机方案一到四的机型为WTGS2200/WTGS2200/WTGS2500A/WTGS2500B；单机容量为2200/2200/2500/2500；总装机容量（MW）为50.6/50.6/50/50；台数为23/23/20/20；轮毂高度（m）为90/90/90/90；风轮直径（m）为131/131/140/141；平均年理论发电量（GW.h）为8.616/8.609/9.881/9.881；尾流损失（%）为7.5/7.2/7.1/6.7。不难看出，在风力发电场总装机容量及用地范围不变情况下，风电机组风轮直径和容量越小装机台数就越多，其尾流影响越高发电能力越低。相对WTGS2500B 机型虽然风轮直径最大、尾流影响最低，但其发电能力未得明显提高，这就需要解决风电机组选型匹配问题。

2 风电机组适应性分析

风电机组适应性分析是在确定风能资源评估结论和风电机组机位情况下进行，故需进行微观选址工作，并复核风机轮毂高度处风能资源评估结果。微观选址时需要考虑风电机组设备实际运输能力、吊装平台和基础施工的可行性，并优化风电机组机位。

风力发电场空气密度直接影响风能的大小，在同等风速条件下，空气密度越高，风能越大。根据风力发电场测风塔的实测温度和气压数据，推算风力发电场实际空气密度计算公式为：ρ=p/(RT)，其中：ρ 为空气密度，kg/m3；p 为平均大气压，Pa；R 为空气常数，287J/kg.K；T 为绝对温度，零下273.15℃。

按照《风电设备制造行业准入标准规范》要求，选用国产风电机组应具有一定先进性，一般风电机组动态功率曲线保证率不低于96%，可利用率不低于96%。根据风电机组轮毂高度处代表年平均风速、平均风功率密度、标准空气密度下50年一遇最大风速及极大风速、14.5～15.5米/秒时的湍流强度和国家标准《风力发电机组设计要求》（GB/T18451.1-2012/IEC61400-1:2005），按表2确定风电机组安全等级。陆地风力发电场为非近海安装的风电机组，可按一般安全等级要求风电机组[3]。

表2 风电机组等级基本参数表

最终确定风电机组选型、风电机组机位后，根据风力发电场实际空气密度下风电机组的功率与推力曲线，重新计算各发电机组实际发电量。风电机组设备厂商计算20年寿命下各部件等效疲劳荷载，确定风电机组机型是否适用于该风场。

3 风电机组选型匹配

我国生产的风电机组是定型产品，仅能通过风电机组适应性分析确定风力发电场工程建设方案。风力发电场工程设计经验表明，即使在同一风电场中（如扩建、续建），尽管风能资源大体相同，采用常用的“风电场年等效满负荷小时数”和“风电场容量系数”仅客观反映出风力发电场风能资源的特性，用来判定不同特性的风电机组获得的风能资源利用效益确有较大差别，参数越高反映风能资源越丰富，显然与实际情况不符。

任何能量形式转换均有转换效率。风电机组并不能将所有流经的风能转换成电能，理论上最高转换效率为59%。受诸多因素的影响不同风速条件下风电机组发电最高效率是不同的，发电效率随风速特性的不同而变化，实际风电机组效率在20～50%之间，变化幅度极大。为能解决风电机组选型匹配问题，在风电机组发电效率定义基础上，本文引入“风电场发电效率”和“风电机组容量系数”概念，能较准确判别风电机组选型匹配优劣。

3.1 风电场发电效率

在单位时间内流过垂直于风电机组扫风面积的风能，即风功率为：w=1/2ρv3A，式中：w 为风能，W；ρ 为空气密度，kg/m3；v 为风速，m/s；A 为风轮扫掠面积，m2。风轮从风中吸收的功率为：P=1/2CPAρv3，式中：P 为风电机组的输出功率；CP为风轮的功率系数，贝兹极限CP=16/27≈0.59；A 为风轮扫掠面积，m2；ρ 为空气密度,kg/m3；v为风速，m/s。

风电场发电效率定义为η=AEP/E，其既考虑了轮毂高度处年平均风功率密度，又考虑了风电机组的扫风面积、功率特性和推力系数重要特征参数。风电场发电效率越高，说明选择的风电机组利用风能资源的效率越高。

3.2 风电机组容量系数

一年8760小时内全部风电机组满负荷运行，不考虑尾流效应的理论发电量为：Q=n×8760×Prated，式中：n 为风电机组台数；Prated为风电机组的额定容量，W。风力发电场实际的年理论发电量为：，式中：P(v)为风电机组在风速为 的发电功率，W；f(v)为风速分布概率，一般为威布尔（Weibull）分布；v1为风电机组切入风速，m/s；v2为风电机组切出风速，m/s。风力发电场年理论发电量可采用常规的WAsP、WT 等软件计算得到。

风电机组容量系数定义为，其考虑了轮毂高度处风速特性与风电机组的功率特性的匹配性。风电机组容量系数越高，说明选择的风电机组满负荷运行的时间越长。

综上，风力发电场工程建设，风电机组运营效益具有举足轻重的作用和深远的影响。影响风力发电场发电量的主要因素是风能资源利用与风电机组选型匹配和风电机组布置方案。对于一个特定的风力发电场风能资源是无法改变的固有条件，按照风能资源评估方法完成风能资源评估不会出现较大的差异；而风电机组选型与布置方案直接影响风力发电场发电效益，采用统一的“风电场年等效满负荷小时数”和“风电场容量系数”指标，未能完全反映出风能资源利用与风电机组发电经济效益。