山地風電場微觀選址復核技術(shù)路線探討

山地風電場微觀選址復核技術(shù)路線探討

0風電場開發(fā)難度增大,效益較低隨著國家政策的鼓勵和大力發(fā)展，中國的能源產(chǎn)業(yè)得到了前所未有的發(fā)展和巨大的提升。但隨著風力發(fā)電大規(guī)模開發(fā)的持續(xù)進行,中國風電行業(yè)中存在的一些問題也逐漸顯露出來,主要體現(xiàn)在以下兩個方面:(1)開發(fā)難度加大。我國陸上適合開發(fā)的風資源豐富、地形簡單的區(qū)域越來越少,風資源相對豐富、地形復雜的山區(qū)將是今后陸上風電開發(fā)的重點;再加上我國氣候類型多,風況復雜,對風資源評估影響較大;同時臺風、雷電、極端低溫、覆冰等災害性天氣繁多,對風機性能要求更高,這些都導致了我國的風能資源開發(fā)難度越來越大。(2)運行效益低。由于受到復雜地形條件、氣候條件等因素的影響,使得風電場設(shè)計階段風資源評估精度不夠和風電場微觀選址不當,最終導致風電場投產(chǎn)運行后效益較低。我國風電場運行情況的調(diào)查結(jié)果表明:大部分風電場的年平均容量系數(shù)在0.21~0.24之間,有些風電場單機年平均容量系數(shù)僅在0.16~0.18。目前許多風電場建成投產(chǎn)后實際的年發(fā)電量比預測值要低20%~30%,還有極少數(shù)風電場甚至低達40%。因此,更精細化的風資源評估、更合理的風電場微觀選址,包括風電場微觀選址復核,將是未來中國風電走向科學規(guī)范發(fā)展之路的關(guān)鍵手段之一。1風力機運行可靠保障進行風電場微觀選址復核的目標就是確保風力機位于具有穩(wěn)定風向的風能資源豐富區(qū),各項風況參數(shù)滿足GBT18709-2002風能資源評估方法以及IEC61400標準中的要求,為風電場投產(chǎn)后的高效運行提供可靠保障。比如:風速的日變化和年變化曲線與同期的電網(wǎng)負荷日變化和年變化曲線盡量一致或接近;風力機高度范圍內(nèi)風速垂直切變一般要求小于0.2,并且不出現(xiàn)負值,因為風力機的設(shè)計和選型都要考慮風切變指數(shù)的大小,過大或者出現(xiàn)負值都會對風力機的安全產(chǎn)生影響;湍流強度要小,一般應不高于0.25,因為湍流強度過大會對風力發(fā)電機組性能有不利影響,如減少輸出功率、引起極端荷載等,最終破壞風力發(fā)電機組。1.1風電場微觀區(qū)位分析技術(shù)方法風電場微觀選址復核的技術(shù)路線如圖1所示。1.2風電場密度方向風資源評估主要涉及風電場空氣密度、溫度、年平均風速、風功率密度、風速和風功率的年變化、日變化、風速和風能頻率分布、風向頻率和風能密度方向分布、風切變指數(shù)、湍流強度、50a一遇最大風速和極大風速等。其中,年平均風速、風功率密度、空氣密度、風切變指數(shù)、湍流強度、50a一遇最大風速(極大風速)對準確的風電場微觀選址起著至關(guān)重要的作用,需要重點復核。風資源評估的復核主要是對相應的計算方法的適用性和準確性、相關(guān)參數(shù)的選取等方面進行檢驗,確保各項風況參數(shù)的準確性,為風電場的微觀選址提供可靠依據(jù)。1.3高海拔山地風電場,需要注意的一些問題風電場微觀選址的主要工作就是確定單臺風電機組的機位,這不僅需要根據(jù)風電場風資源的分布情況,考慮場址的地形、地表粗糙度和周圍障礙物影響,同時還要綜合考慮尾流效應和湍流的影響,盡量避免氣象災害,減少土地占用,保證電網(wǎng)并網(wǎng)和安裝運輸便利等,以滿足風電場建設(shè)和業(yè)主的各項要求,使整個風電場具有較好的經(jīng)濟效益。特別是位于復雜地形上的山地風電場,在高海拔山地環(huán)境下,風電機組面臨的主要問題有低氣壓、高湍流、高輻射等,同時還要經(jīng)受高濕度和低氣溫造成的嚴重冰凍等考驗。因此,準確的風電場微觀選址應綜合考慮諸多影響因素,尤其是針對山區(qū)風電場,由于復雜地形、氣候等因素的影響,應反復進行調(diào)整,尋求優(yōu)化布置,以最大程度上提高風電場投產(chǎn)運行后的經(jīng)濟效益。1.4風電場間距原則風電場風力機機位的調(diào)整受諸多因素的影響,主要從以下兩方面進行考慮:(1)經(jīng)濟性:年等效滿負荷小時數(shù)較大;(2)安全性:各機位輪轂高度處的50a一遇最大風速(10min)和極大風速(3s)小于或等于參考風速;各機位輪轂高度處的有效湍流強度(環(huán)境湍流強度與機位之間尾流產(chǎn)生湍流強度的疊加)應滿足相關(guān)IEC標準;在0.2Vref~0.4Vref之間風速分布概率密度小于風電機組設(shè)計值;入流角(入流氣流與水平面的夾角)≤8°;在主風向的機位多于5排或者垂直主風向的距離小于3D(D為風力機葉輪直徑)時,會增加風場的環(huán)境湍流強度,最終影響機位的有效湍流強度等。對于山地風電場,風力發(fā)電機組通常沿山脊布置,其間距與年發(fā)電量、湍流強度和尾流損失緊密相關(guān),使得風力機間距成為重要的控制因素。對于山地風電場的微觀選址復核工作,提出以下3個主要原則:(1)為充分利用風能資源,風力發(fā)電機組應盡可能布置在發(fā)電量較大的位置,即年等效滿負荷小時數(shù)較大;(2)當主風向比較集中時,相鄰風力機間隔(垂直主風向的間距)最小間隔取為2D(D為風力機葉輪直徑);(3)各風力機機位處的尾流損失不應超過8%,最大不能超過10%。同時考慮到風力機機位處的最大入流角、風切變、湍流強度等指標,兼顧充分利用地形,考慮運輸和施工安裝條件等進行調(diào)整。本文針對云南某山地風電場的微觀選址,對原設(shè)計方案進行了復核研究,也為今后山地風電場更精細化的微觀選址提供了新思路。2工程實例2.1測風塔、塔位的設(shè)置及風電場出規(guī)模云南省某山地風電場,風電場地理坐標介于E100°52′~100°59′、N24°09′~25°16′之間,海拔高度在2300~2900m之間。風電場內(nèi)有1#、2#兩座測風塔,測風塔的地理坐標分別為N25°14′48″、E100°57′43″和N25°14′44″、E100°56′15″,高程分別為2557m、2643m,測風塔地理位置見圖2。根據(jù)風電場區(qū)域風能資源情況以及場址建設(shè)條件綜合考慮,風電場設(shè)計安裝60臺單機容量為2000kW的風力發(fā)電機組,裝機總規(guī)模為120MW。原設(shè)計方案的風力機具體位置見圖3。2.2風資源評估與恢復通過風資源評估復核可知,各項風況參數(shù)的計算方法和結(jié)果與原設(shè)計方案基本一致,滿足風資源評估的規(guī)范。2.3微觀區(qū)位分析2.3.1輪轂高度計算分析本風電場選取的風力機推薦輪轂高度有70m、80m和90m這3種。通過計算可知,風電場內(nèi)測風塔的50m高度以上各高度之間的風切變小,說明該風電場通過抬高風力機輪轂高度提高工程經(jīng)濟性的空間較小,即風力機安裝輪轂高度以相對較低有利,初選輪轂高度70m和80m。本研究進一步利用WAsP軟件初步對原設(shè)計方案分別進行了輪轂高度70m和80m的發(fā)電量計算分析。通過結(jié)果對比可知,風電場輪轂高度為80m的年理論發(fā)電量較70m的發(fā)電量多1.4%左右,平均尾流損失相差不大,同時考慮了不同高度區(qū)域內(nèi)湍流強度對風電機組的安全穩(wěn)定運行的影響,故確定風力機安裝輪轂高度為80m。2.3.2風力機機組的布置和計算在進行風電機組的選型時,應根據(jù)目前風電機組的制造水平、技術(shù)成熟程度、發(fā)展趨勢、機組價格的要求,考慮當?shù)仫L場的風況特點、地形及風電機組安裝和設(shè)備運輸條件,選擇的風電機組還應滿足防覆冰、雷暴與高濕等特殊氣象條件。根據(jù)計算出的各測風塔80m高度處的50a一遇最大風速(50a一遇極大風速)、湍流強度以及各測風塔控制區(qū)域內(nèi)風力機位處的年平均風速,根據(jù)IEC61400-1-2005標準,采用I類風電機組進行布置和計算。同時,本次復核還進行了不同風力機機型,即直驅(qū)式機型和雙饋式機型的對比研究工作。作為并網(wǎng)型的風力發(fā)電機,直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機與雙饋式異步發(fā)電機具有各自明顯的優(yōu)勢。比如:發(fā)電量方面,直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速范圍較寬,在低風速下發(fā)電量有一定優(yōu)勢;單位發(fā)電成本方面,直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機要低于雙饋式異步發(fā)電機,但安裝和運輸費用較高、難度較大;低電壓穿越能力方面,直驅(qū)永磁同步發(fā)電機比雙饋異步發(fā)電機更容易實現(xiàn)真正意義上的低電壓穿越運行;設(shè)備壽命方面,直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機存在退磁現(xiàn)象,在風力機使用壽命期內(nèi),存在因退磁影響發(fā)電機效率的可能,所以直驅(qū)風力機尤其不適用于在溫度較高的地區(qū)等等。在進行風力發(fā)電機的選型時,應該綜合考慮各方面因素,其中性能和成本是最主要的考核指標。對于直驅(qū)風力機方案和雙饋風力機方案,均采用WTG87-2000型號風力機,葉輪直徑為87m。2.3.3計方案比選研究按照本文所提出的山地風電場微觀選址的調(diào)整原則,復核主要綜合年滿負荷小時、尾流損失和風力機間隔這3方面進行考慮,對原設(shè)計方案進行了復核對比研究。利用WT軟件對區(qū)域的風功率密度分布和風機年理論發(fā)電量進行計算,反復調(diào)整風力機位置后,最終獲得風電場內(nèi)發(fā)電量較大、受尾流影響較小、風力機間隔更合理的風力機機位,主要對部分風力機組的位置進行了調(diào)整,即04#、15#、16#、18#、23#、37#、46#、57#風力機,調(diào)整后的相鄰風力機最小間隔為2D。調(diào)整后的風力機位置見圖4。2.4單臺風力機方案與雙饋風力機方案對比風力機機位調(diào)整前、后的單臺風力機年理論發(fā)電量如圖5~6所示,其尾流損失見圖7~8。通過對比可知,風力機機位調(diào)整后,部分風力機的年理論發(fā)電量明顯提高,尾流損失減少,并且直驅(qū)風力機方案單臺風力機年發(fā)電量的提高幅度和尾流損失降低幅度均大于雙饋風力機方案。將雙饋風力機方案和直驅(qū)風力機方案的年理論發(fā)電量、等效滿負荷時間、尾流損失、容量系數(shù)分別與原方案進行對比,計算結(jié)果見表1。通過表中數(shù)據(jù)對比可知,相對于原設(shè)計方案,雙饋風力機調(diào)整方案的年理論發(fā)電量增加2.8%,尾流損失降低11.1%;直驅(qū)風力機調(diào)整方案的年理論發(fā)電量增加8.7%,尾流損失降低12.2%。年理論發(fā)電量和等效滿負荷時間對比見圖9。3風資源評估復核結(jié)果分析本文提出了風電場微觀選址復核的技術(shù)路線、山地風機位置調(diào)整應遵循的原則,即主要從年滿負荷小時、尾流損失和風力機間隔3方面對風電場微觀選址進行復核。通過云南某山地風電場微觀選址的復核研究,得到以下結(jié)論:(1)風資源評估復核結(jié)果結(jié)論是,各項風況參數(shù)的計算方法和結(jié)果與原設(shè)計方案基本一致,滿足風資源評估的規(guī)范。(2)原設(shè)計方案中的