海上风电场每100 MW装机容量不同用海面积的分析

滕丽霞，王 宇，孙 宇，刘 雪

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

随着海上风电技术的发展，海上风电机组的单机容量不断增大，2021 年我国新增海上风机单机平均功率为5.6 MW。2022 年招标的海上风机项目中，有超过85%的海上风电项目机组单机平均功率大于8 MW，平均功率超8.5 MW。目前全球单机容量最大的风电机组单机容量为16 MW，大型化趋势明显提速。我国海上风电资源开发有较大发展空间，受海上风电并网电价政策影响，多地陆续发布千万千瓦级海上风电基地建设的消息。海上风电项目大基地建设和海上风电机组大型化是必然趋势。

在风电场中，来流风速通过处于上游的风电机组后，风速降低、湍流强度增加，形成尾流效应［1-4］，使下游风电机组发电功率降低，疲劳载荷增加，影响风电机组的运行。随着我国千万千瓦级海上风电基地的建设，海上风电场的开发规模将更大、更集中，风机尾流相互叠加，风速恢复缓慢，尾流损失加重。在风机尾流方面，陈树勇等［5］研究表明风机完全处于尾流区运行时，功率损失可达30%～40%；崔冬林等［6］基于实际运行的数据采集与监视控制系统（supervisory control and data acquisition，SCADA）数据提出，缓冲带达到一定的距离会对风速的恢复有明显的作用，缓冲带距离在23D～44D（D为叶轮直径），尾流损失电量降幅在4%～27%；温建民等［7］使用激光雷达对陆上某风场单台风机进行尾流观测，分析不同来流风速下尾流区风速恢复速率。在风电场用海面积方面，胡恒等［8］分析我国海上风电用海特点及问题，提出合理界定用海面积，提高海域使用效率；张云等［9］提出应综合考虑各种海上因素的复杂性和多变性以及海域空间资源的高效开发利用，优化海上风电用海项目的规划布局，适当保持海上风电合理增长的区间和弹性。

以每100 MW装机容量的用海面积作为变量，研究大基地条件下每100 MW 的不同用海面积的风机尾流情况，为海上风电场的前期规划提供了重要的参考依据。

1 计算尾流模型

WAsP 软件是目前国内外公认的对于平坦地形较为适应的软件［10-14］，采用该软件进行计算，该软件采用的尾流模型为典型的Park 模型，如图1 所示，该模型是根据质量守恒定理进行推导，在风力机下游x位置处尾流速度表达式为［15-16］

图1 尾流模型原理Fig.1 Principleof wakeflow model

式中：u为风电机组下游x处的尾流风速；u0为来流风速；CT为风机的推力系数；R为风机盘面半径；k为尾流扩散系数表示尾流的膨胀速率。

对于一个风电场来说，平均尾流是该风电场所有风机尾流的均值，最大尾流是该风电场所有风机尾流中的最大值。根据设计经验，在计算海上风电机组尾流时，k的取值为0.04［17-18］。进行尾流计算分析时，仅考虑本风电场风机之间的相互影响。

2 边界条件

2.1 每100 MW装机容量的用海面积

参考国家海洋局发布的国海规范［2016］6 号文《关于进一步规范海上风电用海管理的意见》，单个海上风电场外缘边线包络海域面积原则上每100 MW装机容量占用面积控制在16 km2左右［19］。海上风电项目大基地建设，使得单个海上风电项目的容量增加和风电机组的数量增加，风电场尾流增大，通过风电场的尾流分析探讨在大基地建设的条件下，每100 MW 装机容量占用海域面积控制在16 km2是否可以满足风电机组运行。而容量相同的海上风电项目，海上风电机组单机容量增大，可以使得海上风电机组的数量减少，通过风电场的尾流分析，探讨在未来大容量机组的条件下，是否可以降低100 MW装机容量占用海域面积。因而以每100 MW 装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2为例，进行风机尾流的分析计算。

2.2 风电场规模、风速和风机机型

进行每100 MW 装机容量的用海面积分析计算时，主要考虑风电场规模、风电场形状、风速、风向、风机机型等因素。考虑目前海上单座±500 kV换流站最大容量为2 000 MVA，选取风电场容量为2 000 MW进行分析。根据我国沿海地区风能资源分布特点，具备规模化开发的海上风电场风速大多介于7.0～9.0 m/s，采用130 m 高度风速7.8 m/s 进行分析，海上风切变较小，取值为0.08进行分析。目前海上风电场多采用8～8.5 MW机型，部分厂家推出了10 MW 及以上机型，考虑未来风机的发展，选用8.5 MW（WTG1）和13.6 MW（WTG2）的机型进行分析。

2.3 风向风能分布

参考风电场的风向和风能玫瑰图，选择风向和风能玫瑰图较为集中和较为分散两种情况，进行风电场尾流的计算。图2 为国内某海上风电场风向和风能较为集中的风向和风能玫瑰图，其中南北向（NNW—NNE 和SSE—SSW）风能概率为68.3%。图3 为选择的国内某海上风电场风向和风能较为分散的风向和风能玫瑰图，其中南北向（NNW—NNE 和SSE—SSW）风能频率为39.7%。

图2 较为集中的风向和风能玫瑰图Fig.2 Relativelyconcentrated rose diagrams of wind direction and wind energy

图3 较为分散的风向和风能玫瑰图Fig.3 Relatively scattered rose diagrams of wind direction and wind energy

2.4 场址形状

海上风电场规划须避让保护区、港口、锚地、航道等各类禁止开发区域，场址形状多样，按照最有利和最不利布置风机的两种极端情况，分别考虑垂直主导风向和平行主导风向的矩形场址进行分析计算。风机布置时按照风电机组行间距不小于3 倍风轮直径，列间距不小于7 倍风轮直径的原则进行风机布置［20］。按照上述布置原则，将两种风机均匀布置，并由下至上依次排序。

利用统计学软件包SPSS22.0对所得数据进行分析，使用百分率（%）对诊断结果进行描述，对比予以χ2检验，P＜0.05为差异具有统计学意义的标准。

选用的风向和风能玫瑰图的主风向为南北风向。在以每100 MW 装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下进行风尾流影响分析，最有利的风电场场址形状垂直于主风向即东西方向长的矩形，矩形的尺寸分别为100 km×3.2 km（场址1）、100 km×3.0 km（场址2）、100 km×2.8 km（场址3），如图4 所示。最不利的风电场场址形状平行于主风向即南北方向长的矩形，矩形的尺寸分别为10 km×32 km（场址4）、10 km×30 km（场址5）、10 km×28 km（场址6），如图5所示。

图4 场址1—场址3示意图Fig.4 Schematic diagram of site 1—site 3

图5 场址4—场址6示意图Fig.5 Schematic diagramsof site 4—site 6

如图6 所示，垂直主风向场址为进行风机排布时的最优场址形状，两种机型均布置两排风机，风机间距大，尾流影响小。在进行风电场规划时，一般会按照垂直于主风向来划分场址，但是随着海上风电场的发展和大基地风电场的到来，场址形状多样，风电场规划时，场址形状应尽量垂直于主风向，最不利条件下场址形状可能会平行于主风向。考虑实际情况，即使在最不利条件下，场址布置的风机排数也不宜过多，对于平行风向场址的两种机型分别布置的排数为：WTG1 机型布置16 排、WTG2 机型布置12排，如图7 所示。风机排数多，排与排之间的尾流影响相互叠加，尾流影响增大。

图6 垂直主风向场址风机布置示意图Fig.6 Wind turbines layout diagram in the site of vertical main wind energy direction

图7 平行主风向风机布置示意图Fig.7 Wind turbines layout diagram in the site of parallel main wind energy direction

综上所述，以风电场容量2 000 MW、130 m 高度风速为7.8 m/s，风切变系数为0.08为前提，分别考虑风电场形状垂直于主风向和平行于主风向、风向集中和分散，在以每100 MW装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下，对WTG1和WTG2机型进行尾流测算。结合目前国内海上风电场经验取值，风电场平均尾流按15%控制，最大尾流按20%控制。

3 风电场尾流分析

3.1 垂直主风向-风能方向集中

表1 为在风电场形状垂直主风向且风能方向集中条件下风机尾流测算的结果。WTG1 机型在以每100 MW 装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下，风电场平均尾流分别为4.66%、4.84%、4.89%，最大尾流分别为4.98%、5.11%、5.21%。WTG2机型在以每100 MW 装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下，风电场平均尾流分别为4.22%、4.32%、4.42%，最大尾流分别为4.76%、4.96%、5.14%。

表1 垂直主风向风能方向集中时风机尾流测算结果Table 1 Calculation results of wind turbines wake flow when the site is vertical of the main wind energy direction and the main wind energy direction is concentrated

由上述结果可知，随着风机单机容量的增加，每排风机的数量减小，风机之间的行间距增大，风电场的平均尾流和最大尾流均减小；在以每100 MW装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2时，WTG2 比WTG1 的风电场平均尾流分别减小0.44%、0.52%、0.47%，最大尾流分别减小0.22%、0.15%、0.07%；随着每100 MW 装机容量用海面积的减小，每100 MW 装机容量占用海域面积分别为15 km2、14 km2时，WTG1 机型的平均尾流比100 MW 装机容量占用海域面积为16 km2时分别增大0.18%、0.23%，最大尾流分别增大0.13%、0.23%；WTG2机型在每100 MW 装机容量占用海域面积分别为15 km2、14 km2时的平均尾流比每100 MW 装机容量占用海域面积为16 km2时分别增大0.10%、0.20%，最大尾流分别增大0.20%、0.38%；风电场垂直于主风向，且风能风向集中，风机的排数少，平均尾流和最大尾流均较小，远小于15%的平均尾流和20%的最大尾流。

3.2 垂直主风向-风能方向分散

表2 为在风电场形状垂直主风向且风能方向分散条件下风机尾流测算的结果，机型参数与表1 相同。WTG1 机型在每100 MW 装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下，风电场平均尾流分别为7.90%、8.14%、8.17%，最大尾流分别为8.42%、8.67%、8.70%。WTG2机型在每100 MW 装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下，风电场平均尾流分别为6.64%、6.75%、6.89%，最大尾流分别为7.24%、7.32%、7.48%。

表2 垂直主风向风能方向分散时风机尾流测算结果Table 2 Calculation results of wind turbines wake flow when the site is vertical of the main wind energy direction and the main wind energy direction is scattered

由上述结果可知，随着风机单机容量的增加，每排风机的数量减小，风机之间的行间距增大，风电场的平均尾流和最大尾流均减小；风机机型由WTG1变为WTG2，在每100 MW 装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下，风电场的平均尾流分别减小1.26%、1.39%、1.28%，最大尾流分别减小1.18%、1.35%、1.22%；随着每100 MW 装机容量用海面积的减小，WTG1 机型在每100 MW 装机容量占用海域面积为15 km2、14 km2时的平均尾流比在每100 MW 装机容量占用海域面积为16 km2时分别增大0.24%、0.27%，最大尾流分别增大0.25%、0.28%；随着每100 MW装机容量的用海面积的减小，每100 MW装机容量的用海面积分别为15 km2、14 km2时，WTG2机型的平均尾流比每100 MW 装机容量的用海面积16 km2时分别增大0.11%、0.25%，最大尾流分别增大0.08%、0.24%；风电场垂直于主风向，虽然风能风向分散，但是由于风机的排数少，平均尾流和最大尾流均较小，均小于15%的平均尾流和20%的最大尾流。

3.3 平行主风向-风能方向集中

表3 平行主风向风能方向集中时风机尾流测算结果Table 3 Calculation results of wind turbines wake flow when the site is parallel of the main wind energy direction and the main wind energy direction is concentrated

由上述结果可知，随着风机单机容量的增加，每排风机的数量减小，风机之间的行间距增大，风电场的平均尾流和最大尾流均减小；风机由WTG1 到WTG2，在每100 MW 装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2时，风电场的平均尾流分别减小0.16%、0.45%、0.51%，最大尾流分别减小0.14%、0.18%、0.02%；随着每100 MW 装机容量用海面积的减小，WTG1 机型在每100 MW 装机容量的用海面积分别为15 km2、14 km2时的平均尾流比每100 MW 装机容量的用海面积16 km2时分别增大0.86%、1.87%，最大尾流分别增大0.73%、1.93%；随着每100 MW 装机容量的用海面积的减小，WTG2机型的在每100 MW装机容量的用海面积分别为15 km2、14 km2时的平均尾流比每100 MW 装机容量的用海面积16 km2时分别增大0.57%、1.52%，最大尾流分别增大0.69%、2.05%；风电场平行于主风向，且风能风向集中，但是由于风机的排数多，单机尾流和整场尾流均较大，但各种情况的尾流测算结果均小于15%的平均尾流和20%的最大尾流。

3.4 平行主风向-风能方向分散

表4 为在风电场形状垂直主风向且风能方向分散条件下风机尾流测算的结果，机型参数与表1 相同。WTG1 机型在每100 MW 装机容量的用海面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下，风电场平均尾流分别为14.46%、15.28%、16.17%，最大尾流分别为17.77%、18.70%、19.85%。WTG2 机型在每100 MW装机容量的用海面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下，风电场平均尾流分别为14.08%、14.37%、15.41%，最大尾流分别为17.28%、17.60%、19.15%。

表4 平行主风向风能方向分散时风机尾流测算结果Table 4 Calculation results of wind turbines wake flow when the site is parallel of the main wind energy direction and the main wind energy direction is scattered

由上述结果可知，随着风机单机容量的增加，每排风机的数量减小，风机之间的行间距增大，风电场的平均尾流和最大尾流均减小；风机由WTG1到WTG2，在每100 MW 装机容量的用海面积分别为16 km2、15 km2、14 km2时，风电场的平均尾流分别减小0.38%、0.91%、0.76%，最大尾流分别减小0.49%、1.10%、0.70%；随着每100 MW 装机容量的用海面积的减小，WTG1 机型在每100 MW 装机容量的用海面积分别为15 km2、14 km2时的平均尾流比每100 MW 装机容量的用海面积16 km2时分别增大0.82%、1.71%，最大尾流分别增大0.93%、2.08%；随着每100 MW 装机容量的用海面积的减小，WTG2机型的在每100 MW 装机容量的用海面积分别为15 km2、14 km2时的平均尾流比每100 MW 装机容量的用海面积16 km2时分别增大0.29%、1.33%，最大尾流分别增大0.32%、1.87%；风电场平行于主风向，风机的排数多，且风能风向分散，单机尾流和整场尾流均较大，在每100 MW 装机容量的用海面积分别为15 km2、14 km2时，WTG1 机型平均尾流均大于15%的控制值，在每100 MW 装机容量的用海面积为14 km2时，WTG2 机型平均尾流大于15%的控制值。

3.5 尾流结果分析

1）不论风电场形状是否垂直主风向，风能方向是否集中，每100 MW 装机容量的用海面积为16 km2都可以满足风电场平均尾流小于15%和最大尾流小于20%的要求。

2）随着风机单机容量的增加，风机平均尾流和最大尾流均明显减小，说明风机数量的减少使得风电场尾流明显降低。

3）风电场形状垂直主风向时，风能方向集中或分散，风机平均尾流和最大尾流均较小，均小于15%的平均尾流和20%的最大尾流，且随着每100 MW装机容量用海面积的减小，尾流变化较小，说明场址形状垂直主风向时，可以较大程度地降低每100 MW装机容量的用海面积；风能方向分散比风能方向集中时，WTG1机型和WTG2机型的平均尾流和最大尾流均明显增大，说明风能方向对尾流的影响显著。

4）风电场形状平行主风向时，风能方向集中或分散，风机平均尾流和最大尾流均较大，且随着每100 MW 装机容量的用海面积的减小，尾流明显增加，在风能风向集中时，每100 MW 装机容量的用海面积为14 km2时，WTG1机型和WTG2机型均可以满足风电场小于15%的平均尾流和20%的最大尾流，在风能风向分散时，每100 MW装机容量的用海面积为15 km2时，WTG2机型可以满足风电场平均尾流小于15%和最大尾流小于20%的要求，说明场址形状平行主风向时，风能方向集中时，可以较大程度降低每100 MW 装机容量的用海面积，风能方向分散时，采用大单机容量机组时，考虑适当降低每100 MW装机容量的用海面积。

5）风能方向集中时，风电场形状平行主风向比垂直主风向时，WTG1机型和WTG2机型平均尾流均增加约9%，最大尾流均增加约12%，尾流增加显著，说明风能方向集中时，场址形状对尾流影响明显。

6）风能方向分散时，风电场形状平行主风向比垂直主风向时，WTG1机型和WTG2机型平均尾流均增加约8%，最大尾流均增加约10%，说明风能方向分散时，场址形状对尾流影响明显，但是风能方向集中时场址形状对尾流的影响更为明显。

4 结束语

以风电场容量2 000 MW、130 m 高度风速为7.8 m/s，风切变系数为0.08 为前提，分别考虑风电场形状垂直于主风向和平行于主风向、风向集中和分散，研究在每100 MW 装机容量的用海面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下，分析计算WTG1 和WTG2 机型的尾流，结果表明：每100 MW 装机容量的用海面积为16 km2可以满足风电机组运行需要。在未来使用大容量机组的条件下，可以适当降低每100 MW 装机容量的用海面积。由于考虑的场址形状规则，在进行风机布置时为均匀布置，未采用自动优化排布软件进行优化布置。同时为简化对比，采用单一风速，事实上风速的不同也会对尾流产生较大的影响，有待进一步分析研究。