风电场设计优化及性能评估——以哈萨克斯坦为例

徐中伟XU Zhong-wei

（中国电建集团海外投资有限公司，北京 100000）

1 风电场设计

1.1 风能资源评估

1.1.1 数据收集与处理

联系哈萨克斯坦气象部门或相关机构，获取各地气象站的观测记录。包括每小时或每日的风速、风向等数据。整理和归档观测记录，并按时间序列整合成一个全面的数据集。对观测数据进行异常值检测和处理，采用统计分析方法排除异常值，确保数据准确性。检查观测数据中是否存在缺失值，如果有，可使用插值方法填补缺失值，以保证数据完整性。根据需求，进行进一步的预处理，如计算平均风速和风向，或按月、季度或年份汇总数据。

1.1.2 风速频率分布分析

根据实际情况和需求，对气象数据按时间序列进行整理和排序。使用等宽或等深划分将风速分为不同区间（如0-2m/s、2-4m/s、4-6m/s）。计算每个区间的频数或频率，代表风速出现次数及相对概率。通过除以区间宽度，得到不同区间的概率密度函数，表示单位风速范围内的风速概率。利用频数、频率或概率密度函数，绘制风速频率分布曲线或直方图。频率分布曲线连接各区间频率点，展示不同风速的频率。直方图则以矩形条表示不同风速区间的频率，描述风速概率密度。

1.1.3 风向频率分布分析

根据实际情况和需求，对气象数据按时间序列进行整理和排序。使用等宽或等深划分将风向分为不同区间（如0-45°、45-90°、90-135°）。计算每个区间的频数或频率，代表风向出现次数及相对概率。通过除以区间宽度，得到不同区间的概率密度函数，表示单位风向范围内的风向概率。利用频数、频率或概率密度函数，绘制风向频率分布图。风向频率分布图以扇形大小或颜色深浅表示不同风向的频率和概率。

1.2 风机选择与布局

1.2.1 风机类型和参数选择

考虑哈萨克斯坦的气候条件、地形特点等因素，选择适合的风机类型，如水平轴风机或垂直轴风机；根据风能资源评估结果和风机厂商提供的技术参数，确定风机的额定功率、切入风速、切出风速等关键参数。

1.2.2 风机布局优化

考虑哈萨克斯坦风电场的地理特点、用地条件、环境保护等因素，进行风机布局的优化设计；采用专业软件或算法，结合风能资源评估数据、地形地貌信息等，进行最佳位置的选取和布局方案的优化；考虑风机之间的最小间距、相互遮挡的影响，以及输电线路和变电站的布置情况。

1.3 基于地理信息系统的选址分析

1.3.1 风能资源评估

通过获取风速、风向等气象数据，结合地形地貌和植被覆盖等因素，在GIS 中建立风能资源分布模型。通过空间插值和统计分析，评估潜在风能资源分布情况，找到适合建设风电场的地点。

1.3.2 土地利用分析

利用GIS 中的土地利用数据和遥感影像，分析不同区域的土地类型、土壤质量、地形条件等，并结合法规和环保要求，评估各个潜在选址的可行性和适宜性。

1.3.3 环境影响评估

借助GIS 工具，将风电场选址与环境要素（例如水源、野生动植物栖息地、受保护区等）进行空间叠加分析。评估选址对环境的影响程度，提前发现潜在的环境问题，并制定相应的环境管理和保护措施。

1.3.4 基础设施评估

利用GIS 中的基础设施数据，如道路、电网、变电站等，进行选址分析。找到与现有基础设施相连通的地点，以减少建设成本和提高风电场的可持续性。

1.3.5 社会经济评估

通过GIS 中的人口数据、用电负荷数据等，对不同选址对当地社会经济发展的影响进行评估。考虑用电需求、就业机会、经济效益等因素，选择对当地社区和经济有积极影响的选址。

1.4 输电系统设计

1.4.1 输电线路选址

考虑风电场的地理布局、周边环境和用电负荷等因素，确定输电线路的走向和选址；考虑地形地貌、交通条件、土地使用等因素，选择最佳的线路走廊；进行输电线路的环境影响评估，确保符合相关法规和标准。

1.4.2 变电站设计

根据风电场的规模和发电功率，确定变电站的额定容量和配置；考虑输电线路的接入方式和变电站的布置，确定变电站的位置和内部结构；设计并选择适当的变压器、开关设备和保护装置，确保变电站的安全和可靠运行。

2 风电场性能评估

2.1 发电量预测模型

2.1.1 基于统计方法的发电量预测模型

收集历史风能资源和实际发电量数据，进行相关性分析；根据历史数据建立数学模型，例如回归模型、时间序列模型等，来预测未来的发电量；考虑季节性、周期性和趋势性等因素，对模型进行调整和优化。

2.1.2 基于机器学习方法的发电量预测模型

收集大量的历史风能资源和实际发电量数据，构建训练集和测试集；使用机器学习算法，如决策树、支持向量机、神经网络等，对数据进行训练和建模；通过优化算法和交叉验证，选择最佳的模型参数和特征组合；使用训练好的模型对未来的风能资源进行预测，进而预测发电量。

2.2 运行数据分析

2.2.1 发电量实际测量分析

收集并整理风电场的实际发电量数据，包括日、月、年发电量等；进行数据统计和分析，例如计算平均发电量、最大发电量、发电量变化趋势等；比较实际发电量与预测值之间的差异，并分析造成差异的原因。

2.2.2 故障数据分析

收集并整理风电机组的故障数据，包括故障类型、故障发生时间、维修时间等；对故障数据进行分类和统计，了解不同类型故障的频率和影响程度；分析故障数据的时序性和空间分布，找出故障的主要原因和规律；基于故障数据，提出相应的维护策略和改进措施，以提高风电场的可靠性和运行效率。

2.3 风电场性能评估指标

2.3.1 容量因子

容量因子是指实际发电量与理论最大发电量之比，表示风电场的发电效率，容量因子越高，说明风电场的利用率越高。

计算公式：容量因子=实际发电量/（装机容量*8760）

2.3.2 利用小时数

利用小时数是指风电场实际发电的小时数，表示风电场的运行时间和发电能力，利用小时数越高，说明风电场的运行时间越长、发电能力越强。

计算公式：利用小时数=实际发电量/装机容量

2.3.3 故障率

故障率是指风电机组出现故障的频率，表示风电场的可靠性和稳定性，故障率越低，说明风电机组的可靠性和稳定性越高。

计算公式：故障率=（故障次数/运行小时数）*100%

3 哈萨克斯坦风电场案例分析

3.1 哈萨克斯坦环境资源评估及前景分析

哈萨克斯坦电厂63 个，总装机容量为21.7 吉瓦（可用容量18.7 吉瓦）。包括：15 个水电站和45 个火电站。2017 年发电量达1020 亿度，比2016 年多9%。其中火电站为910 亿度；水电100 亿度，新能源11 亿度电。哈萨克斯坦分成北部、南部和西部三个区。北方地区在能源生产和消费上占绝对优势，占有哈萨克斯坦70%以上的发电能力，拥有多余的能源供应。在南部区能源不平衡，有最大的短缺，从北部区域和从相邻的吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦进口部分电力。阿拉木图地区是典型的缺电地区，电力需求量每年增加10%左右，是哈全国电力年需求增量（5%-6%）的两倍。

2017 年电力消耗为970 亿度电。在电力消费结构中，制造业一直占有长期稳定的份额，占总消费结构70%-72%。28%以上由10 个冶金企业消耗，他们全部位于哈萨克斯坦共和国北部。

哈萨克斯坦水能、太阳能、风能以及地热能等可再生能源资源丰富。2014 年至今，哈萨克斯坦可再生能源装机逐步增加，装机增速位列独联体国家第五。哈萨克斯坦风电潜在产能高达每年18.20 亿千瓦时，开发潜力巨大。风电潜在开发地区主要集中在哈萨克斯坦境内东南部阿拉木图、江布尔两州，以及北部的阿克莫拉州。哈萨克斯坦可再生能源装机绝大多数源于风电，有超过5 万平方公里的平原土地，其平均风速超过7 米/秒，风力发电自然条件突出。年均光照时长可达2200 至3000 小时，光照强度为年均每平米1300 千瓦时至1800 千瓦时。

3.2 哈萨克斯坦风机选择与布局

哈萨克目前风电项目较多，其中Ermentay-45MW 项目，使用机组FWT93/2.05-85m，距离阿斯塔纳160km，位于阿克玛琳斯克州，业主为萨姆鲁克第一风电公司，由Kozna 基金投资建设；ЦАТЭК-50MW 项目，使用Vestas112/3.3-84m，距离阿斯塔纳东40km 处；Shelec-5MW 项目，施工Goldwind109/2.5-90m，项目位于阿拉木图东180km 处；Badamsha-50MW 项目，使用GE130/3.8-85m 机组，Eni（持股50%）公司АО"НК"Казмунайгаз"（持股50%），项目位于阿克纠宾州Badamsha 附近；2018 年以来，中资企业将注意力转移到中亚俄语区市场，其中中电国际在江布尔州投资Zhanatas-100MW 项目，寰泰能源投资Kestany-50MW 风电项目。

3.3 可行性分析

本项目位于哈萨克斯坦境内距离阿拉木图约165km，项目地坐标为东经78.743563°，北纬43.711936°，海拔542m，通过对拟建风电场内的测风塔数据进行统计分析，测风塔85.6m 高度平均风速和风功率密度分别为8.06m/s和590W/m2；84m 高度平均风速和风功率密度分别为8.03m/s 和585W/m2；64.9m 高度平均风速和风功率密度分别为7.65m/s 和501W/m2；40m 高度平均风速和风功率密度分别为6.97m/s 和381W/m2，90m 高度下的拟合平均风速和风功率密度分别为8.15m/s 和611W/m2本风电场风能资源较丰富，具有很好开发价值。

拟建设规模为50MW 风场，计划采用2.5MW 风机，90m 高，共计20 台。本项目所在地地势平坦、开阔，地势坡度较小，地表覆盖着茂密的草皮以及少量灌木，表层属于沙黏土地质，施工条件良好。目前所在地为荒地，征地采用片征的方式，满足风机点位及道路用地需求，详见图1。

图1 项目布局图

紧邻项目所在地场址北侧有10kV 配电线路，施工用电可从10kV 配电网引接，需要申请相关手续。施工及生活用水可以考虑打井取水，但是井水碱度过高，需要采用净水机处理方可饮用，同时饮用水也可以从最近的小镇Shelek 运水。该项目地旁有60MW 风电项目已经完成施工并上网发电，拟计划风机型号相同，且由于距离较近，地质条件相近，相关设计及施工具备参考性。

3.4 哈萨克斯坦风电场设计存在的风险及解决方案

3.4.1 目前存在外线变更的问题

本项目目前仍存在电网接入方案变更的问题。计划进行外线设计变更，从原本的方案17.8km 双回110kV 架空线接至已有110kV 架空线路。预计更改为从我方新建升压站先以6.5km 双回架空引至附近60MW 风电项目，形成环网后，与该项目采用同塔双回路送出，通过29km 同塔双回路连接到Nura-110kV 变电站送出，目前暂无批复文件，后期存在外线变更可能性。

3.4.2 PSD 文件变更问题

本项目前期开发阶段已使用本地设计院Energia 进行PSD 设计并提交当地电网公司审核，早期Energia 所做的PSD 设计中涉及大量本地设备品牌指定，现需要针对早期指定设备品牌、风机进行变更申请，同时进行已提交的设计文件修改，根据前期与Energia 设计院谈判，现已明确设计更改流程及时间，并由对方负责设计部分本地修改内容，确保变更时间在1 个月内完成。

3.4.3 地震风险

根据地图及哈萨克斯坦OSZ-2475 及OSZ22475 地区定义，该项目位于哈国地震频发区（见图2）。土建设计需考虑抗震因素。因此前期设计按照9 度抗震，地震加速度按0.4g 进行风机基础设计，基础设计图通过原业主聘请的第三方设计院的复核，确认基础大小足以满足该地区的地震烈度要求。后期仍需当地设计院的校核。

图2 哈萨克斯坦地震分布图