港口實景下大型風電機組工程化設計分析

唐道貴 ，柯耀 ，張乾能 ，李將淵 ，俞浩煥 ，朱琳杰

（1.浙江省海港投資運營集團有限公司,浙江 寧波 315100；2.寧波舟山港集團有限公司,浙江 寧波 315100；3.武漢理工大學 交通與物流工程學院,湖北 武漢 430073；4.寧波北侖第三集裝箱碼頭有限公司,浙江 寧波 315100）

0 引言

近年來，與全球氣候變化密切相關的極端天氣、自然災害頻發，為應對氣候變化，世界各國紛紛制定碳中性、碳中和氣候目標，積極應對氣候變化成為全球共同性議題[1]。中國也提出了CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和的目標[2]。大力推動可再生能源發展是應對當前能源危機和環境問題的重要手段。

風力發電技術是一項經過充分驗證且具有較大效益的技術，對于促進地區治理大氣污染、轉變經濟發展方式具有重要意義[3-5]。截至2022 年年底，全國風電累計裝機超過18 萬臺，容量突破390 GW[6]，“十四五”期間，新能源仍將繼續快速發展，裝機和發電量占比仍將持續提高[7-8]。國家能源局指出未來幾年我國的風電發展模式為：在大型風電地區促進風電規?；l展的基礎上，支持風資源不太豐富的地區，發展低風速風電場，倡導分散式風電開發模式。風電場逐漸由傳統地區向東南沿海地區發展，如福建、兩廣等低風速地區[9-12]，而港口風電場是介于陸上和海上風電場的一個特例。柳成等[13]針對低風速區的風電場的建設，通過實測數據，采用柱狀圖以及氣象玫瑰圖對風電場場址風能資源進行綜合評價，以確定場址、風機型號以及風機的布置。IEC 61400-1∶2019 也規定了確保風力渦輪機結構完整性的基本設計要求[14]。Olabi 等介紹了可用風力發電機組技術的一般選擇指南，詳細討論了與風能轉換系統相關的各種組件的前景及其局限性[15]。上述研究主要側重于陸上或海上風電機組選址或選型，即通過分析有代表性的測風塔資料，系統分析不同地區的風資源特性[16-19]，為風電機組選址及選型等提供重要參考。但大多數研究都致力于陸上或海上風電場選址和風電機組選型[20-22]，沒有針對港口這一特殊場景進行設計[23-24]。對于港口大型風電機組選址和選型而言，如何在不影響港口安全生產的前提下充分利用港區周邊閑置地塊，并使得所選風電機組型號滿足高安全性、低噪聲、高耐腐蝕性等要求，對港口分散式風電場開發、風電機組選址及選型提出了更大的挑戰。本文以寧波舟山港穿山港區為例，分析了港口風力發電機組的限制性因素和設計原則，結合港區實景，對港口大型風力發電機組選址及選型進行工程化設計分析，為港口風電場設計提供參考。

1 工程簡介

穿山港區海拔高度0～3 m。港區區廓呈長方形，東西端最長3.75 km，南北端最寬1.5 km。港區內設立一座激光雷達，坐標為29°53′9.69″N，122°1′41.48″E，于2022 年1 月4 日開始正式測風。本文根據MERRA-2 再分析數據對港區的風能資源進行較長時間尺度上的分析，再分析港區一年的風能數據進行港區近期風能資源情況分析。

風電場的勘測設計工作主要包括場址地質勘查、風能資源評估、微觀選址和財務評價等[25-26]。由于港口風電場的風能資源存在不均勻性，且港區內人類活動頻繁，存在較多制約風電機組布置的因素，選擇經濟技術指標相對較優的風電機組以及布置位置就顯得尤為重要。因此，本文重點對港口風電場的風能資源評估、風電機組選址及選型等進行分析。通過分析穿山港區風資源潛力以及港區基礎設施能源化潛力的基礎上，建立港區多能源融合系統仿真模型，評估穿山港區多能源融合系統的經濟與排放特性。通過數字模擬和港區測得的數據進行風資源分析，明確港區的風發電潛力，并為后續風出力的計算以及多能源融合系統的評估、設計和運行管理等提供決策支持。

2 穿山港區風能資源評估

穿山港區沿岸陸域以低山丘陵為主，間隔分布小型海積平原，岸外有舟山群島星羅棋布。區境屬亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，四季分明。風向季節性變化強，夏季盛行東南風，冬季盛行西北風。通過對該區域的風能資源分析發現，場址區域內風速、風向差異較大。因此，準確掌握區域內風能資源分布情況，對風電場工程設計起著決定性作用[27]。

2.1 風能資源分析

對于風能情況的分析，采用天氣研究及預報（Weather Research and Forecasting，WRF）中尺度數值模式初步分析場區風資源水平，同時參考MERRA-2再分析數據，根據其他測風塔數據進行模型檢驗。MERRA-2 長序列及測風年平均風速統計數據如表1 所示。

表1 MERRA-2 長序列及測風年平均風速統計表Tab.1 MERRA-2 long sequence and annual average wind speed statistical datas

穿山港區代表年125 m 高度風能和風向情況如圖1 所示。從圖中可以看出，場區輪轂高度主要風向分別為NNE、N 和S，相應頻率分別為12.6%、11.7%和10.1%；輪轂高度主要風能方向分別為NNW、N和S，相應頻率分別為16.3%、15.9%和14.9%。

圖1 港區代表年125 m 高度風向和風能玫瑰圖Fig.1 Rose diagram of wind direction and wind energy at 125 m height in representative year of port area

港區代表年125 m 高度各月風向和風能玫瑰圖如圖2 所示。從圖中可以看出，港區的風向夏季和冬季較為單一，夏季主要風向為SSW、S，冬季主要風向為N、NNW；春秋季節風向較為雜亂。對于港區的風能，夏季主要集中在S、SSW；其他季節主要分布在NNW、N 和NNE。

圖2 港區代表年125 m 高度各月風向和風能玫瑰圖Fig.2 Monthly wind direction and wind energy rose diagram at a height of 125 m in a representative year of the port area

穿山港區代表年125 m 高度風速和風功率年變化曲線、日變化曲線分別如圖3（a）、圖3（b）所示。從圖中可以看出，港區的風速呈現出一定的季節性特點但是變化較為緩和，在冬季和夏季風速較大，最大月平均風速出現在8 月，月平均風速為6.8 m/s，最小月平均風速出現在6 月，月平均風速5.22 m/s。風功率呈現出較強的季節性特點，變化較大，最大月平均風功率密度出現在12 月，月平均風功率密度為343 W/m2，最小風功率密度出現在6 月，風功率密度為133 W/m2。從風速和風功率日變化曲線上看，港區風速和風功率日變化較為平穩。清晨8 時至午后1 時風速處于較低水平，下午至傍晚逐漸增加，晚間8 時達到最高點，而后開始緩慢下降，在深夜至次日凌晨風速變化趨于平緩。風功率密度的日變化情況與風速基本一致。

2.2 特殊氣候

穿山港區位于浙江東南海港區域，對風電場造成影響的特殊氣候主要是熱帶氣旋和大風等。其中，區域熱帶氣旋以穿山港區中心為圓形，設置半徑100 km為區域為本區域熱帶氣旋統計區域。根據國家級氣象觀測站點數據，所有進入統計區域的熱帶氣旋的路徑顯示，影響本次統計區域的熱帶氣旋路徑主要為轉向類路徑。1949～2021 年期間，影響本次統計區域的熱帶氣旋年均0.4 個，每年熱帶氣旋影響本次統計區域的時間在5～9 月。

通過歷史數據分析，港區65 m 高度處50 年一遇最大風速在52.1 m/s 左右。根據IEC61400-1: 2019風力發電機組第1 部分：設計要求（Wind energy generation systems——Part1: Design requirements）的設計標準[14]，風力發電機組選型的基本參數如表2所示。結合表2 以及風資源、特殊氣候等分析，本風電場宜選用IEC I 類及以上且具抗臺特別設計的風電機組或滿足抗臺要求的S 類風電機組。結合數值模型及港區周邊項目實測成果初步判斷，平均風速為15 m/s 時，港區125 m 高度湍流強度低于C 類（0.12）。

表2 臺風型風力發電機組等級基本參數Tab.2 Basic parameters of typhoon-resistant wind turbine grade

3 風電發電系統設計

風電場微觀選址是一個復雜的系統工程，涉及風能資源、地質、機組布置等，對于風電場建設、運行而言至關重要，也是風電場取得良好經濟效益的關鍵[28]。而風電機組選址及選型過程、發電量估算等又是微觀選址工作的中心內容及評判依據。文章將結合港區實際情況，著重分析風力發電機組選址過程及選型問題。

3.1 風電機組選址分析

風電場通過每臺風電機組把風能轉化為電能，風經過風電機組轉輪后速度下降并產生紊流，沿著下風向一定距離后，才能消除前1 臺風電機組對風速的影響。在布置風電機組時，應充分考慮風電機組之間相互的尾流影響，確定各風電機組的間距，把尾流影響控制在合理范圍內，同時兼顧工程集電線路和道路的投資，使項目經濟性達到最優。

在風力發電機組的工程化設計中，首先，應充分考慮場址內盛行風向、風速、地形地貌等條件，在同等風況條件下，選擇地質及施工條件較好的場地；其次，既要盡量減小風電機組之間的尾流影響，又要充分利用場區內的土地資源，同時兼顧工程集電線路和道路的投資，并且要考慮風電場區內限制條件，避免風電機組布置與噪聲控制[29-31]、港區土地利用規劃等相沖突。風電機組布置需考慮機組安全性，將風電機組的尾流影響控制在合理范圍內。

3.1.1 風電機組布置限制性因素

1）海塘：機位點在海塘管理范圍內，對于海塘的影響，其安全性已通過了水利部門的審查。

2）場區辦公樓：風電場區域內分布有辦公樓等房屋。風電機組布置時，盡可能遠離，滿足安全距離和避免風電機組的噪聲影響。

3）電力線路：為避免風電場施工及運行期間對電力線路的影響，布置時盡量避讓。根據《風電場工程微觀選址技術規范》（NB/T 10103－2018），距離35 kV 以上等級架空輸電線路不宜小于風電機組倒塔距離的1.0 倍。

4）道路：白中線位于場區南側，為避免風電場施工及運行期間對道路的影響，根據《風電場工程微觀選址技術規范》（NB/T 10103－2018），風電機組的塔筒中心與國道及高速公路、省道的避讓距離宜分別大于1.5 倍倒塔距離、1.0 倍倒塔距離。

5）其他：港區內可能還存在其他限制性因素。

經過綜合分析，穿山港區共有3 個風力發電機組安裝機位，如圖4 所示。

3.1.2 港口風電機組選址的特殊性

機位選址需充分考慮對于港口運營活動的影響，港口通常是繁忙的運輸和貿易中心，機組選址時需要考慮港口的運營活動，特別是港區岸橋、龍門吊作業的影響以及堆場的正常運營，需要確保風電機組的選址不會對港口運營造成干擾或安全風險。

機位選址還需提前考慮風機接入電網的方案，港口通常有完善的基礎設施和電網接入，需要考慮到電網容量、傳輸線路、變電站等因素，以確保風電機組能夠有效地并入電網。由于N01、N02 和N03號機位靠近港區已有的變電站，符合經濟性的要求。

所有機位平均風速、入流角、風切變、湍流強度滿足機組安全性要求，且所有機位和周邊建筑均滿足安全距離要求。N01 號機位相對位置示意圖及其三維示意圖如圖5、圖6 所示，N02 和N03 號機位相對位置示意圖及其三維示意圖如圖7、圖8 所示。

圖7 N02、N03 機位（190 m 葉輪/125 m 輪轂高度機型）相對位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the relative position of N02 and N03 positions (190 m impeller/125 m hub height model)

圖8 N02、N03 機位三維示意圖Fig.8 3D schematic diagram of N02 and N03 position

3.2 風力發電機組選型分析

目前，陸上風電機組單機容量在4.0～6.5 MW 之間不等，總體來說，目前陸上風電機組呈現出以4.00 MW 以上機組為主流，機組單機容量逐漸大型化的趨勢。在選擇風電機組時，根據電網公司對風電場接入電網的技術要求、各機型的技術成熟性、風電場風資源和安裝運輸等條件進行綜合比較[32]。根據目前風電機組產業狀況，選擇單機容量在4.50～6.25 MW之間且滿足IEC I 類及以上具抗臺特別設計的4 種主流風電機組進行比選。結合機型的配套輪轂高度及周邊限制性因素，按輪轂高度125 m 進行分析。4種比選機型的技術特性如表3 所示。

表3 不同型號方案風電機組技術特性表Tab.3 Table of technical characteristics of wind turbines with different model schemes

從表3 中可以看出，WTG1～WTG4 4 種比選機型的IEC 等級均為S，滿足本項目抗臺要求的S 類風電機組要求。本文進一步從發電量、工程投資和經濟指標等方面對以上4 種方案進行比較，如表4所示。

表4 各比選機型方案技術經濟性比較表Tab.4 Technical and economical comparison of schemes of various models

從發電量上看，WTG1～WTG4 4 種機型方案年上網電量分別為25.62 GWh、24.53 GWh、17.44 GWh和19.75 GWh；WTG1 年上網電量最高，WTG2 機型方案次之。從工程投資上看，WTG1～WTG4 4 種比選機型方案的單位千瓦靜態投資（不含送出）分別為9 042 元/kW、8 522 元/kW、6 302 元/kW和8 299 元/kW，WTG3 機型方案的單位千瓦靜態投資最低，WTG4機型方案次之。從經濟性上看，WTG1～WTG4 4 種比選機型方案的項目投資財務內部收益率（所得稅前）分別為17.29%、19.19%、13.21%和14.68%，資本金財務內部收益率（所得稅后）分別為15.38%、17.15%、11.43%和12.97%。綜合來看，WTG2 機型方案經濟性最優，WTG1 機型方案次之。通過以上分析，采用WTG2 型每年上網電量可達24.53 GWh，每年可減少CO2排放約1.425 1 萬t，節約用電成本0.233 億元，實現較大的經濟和生態效益。

4 結論

1）分析了穿山港區風資源潛力，場區125 m 高度主要風向分別為NNE、N，主要風能方向分別為NNW、N；港區風向和風能呈現出季節變化規律和日間不同時刻的變化規律，最大月平均風功率密度出現在12 月，為343 W/m2，最小風功率密度出現在6 月，風功率密度為133 W/m2；港區風速和風功率在清晨8 時至午后1 時風速處于較低水平，下午至傍晚逐漸增加，晚間8 時達到最高點。

2）對港口風力發電機組的選址進行了分析，綜合考慮海塘、港區辦公樓、電力線路和道路以及港區現有堆場布置等限制因素，選擇了3 個適宜建設風力發電機組的位置。

3）對港口風力發電機組的選型進行了分析，選擇市場上滿足要求的4 種主流機型進行分析，從技術特性、發電量、工程建設成本以及經濟性等因素進行了分析，最終選擇WTG2 機型。

4）對風力發電機組的效益進行了分析，采用WTG2 機型風力發電機組，每年上網電量可達24.53 GWh，可減少CO2排放1.425 1 萬t，節約用電成本0.233 億元，實現較大的經濟和生態效益。