風電場規劃與微觀選址關鍵技術分析

中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司 王 勇

風電場的選址與規劃建設主要受到自然地理環境條件的影響，不同地形地貌、地理位置等方面的差異，會直接影響風量大小和發電效果。本文以某風電場為例，對風電場規劃與微觀選址關鍵技術進行分析。

1 風電場規劃與微觀選址

1.1 風電場規劃要求

基于新時期風力發電的要求，在對風電場進行規劃建設的過程中，應以獲得最佳發電量為主要目標，結合不同區域風場間的距離與尾流值之間的關系，將尾流影響值控制在一個合理的范圍內，從而有效提高區域風電場規劃的總體容量。在新時期的背景下，對風電場進行規劃，可在明確這一目標的前提下，充分發揮信息化技術以及系統軟件的功能作用，以線性擬合的方式來確定風場間的最佳距離。也可嘗試將新方法用于風電場的規劃建設[1]。通過對風電場劃分扇區的方式，對尾流損失與距離的相對關系進行分析，充分發揮風電場空間土地的最大效益，以此來平衡風電場裝機容量與發電量之間的關系。

1.2 風電場微觀選址原則與方法

風電場的微觀選址是規劃設計工作中的主要內容，以提升風機發電量為主要目的，在風電場的微觀選址方面，應能夠遵循以下原則：在考慮各風機之間相互影響的前提下，將機位確定在風能資源較好的區域內，以山頂和山脊等位置為主；風機的排列應能夠垂直于主導風能的方向；應能夠對風電場的土地進行合理利用，以緊湊的排列方式來減少在集電線路以及道路等方面的投資成本；加強對于風機場地坡度的檢測，確保選擇的風機安裝位置能夠滿足交通運輸以及施工吊裝的要求[2]。

在此基礎上進行微觀選址，應重點圍繞室內作業布置，以及外業現場踏勘兩部分來開展工作。具體而言，在內業布置方面，應能夠結合風電場區域勘查到的地形資料內容，結合計算機系統軟件來確定風機的具體安裝位置。再由業主方或風機廠商對初步確定的機位進行修改調整后，可將其作為現場微觀選址的機位[3]。在現場微觀選址方面，在確定每個機位現場條件的前提下，對部分機位進行優化微調，將最終確定的風機導入到事先建立的計算模型后，通過對風速、湍流強度、極端風速、發電量等指標參數的計算，則可以確定最終機位的布置方案。

2 風電場微觀選址關鍵技術的應用分析

為探究風電場微觀選址中應用的關鍵技術效果，結合本風電場微觀選址的實際情況，從風電場建模以及資源評估兩方面的技術內容入手，基于以下內容來驗證相關技術對風電場微觀選址與規劃建設的積極作用。

2.1 工程概況

本風電場地形多變，在對工程現場進行勘查后發現，風電場坡度多在10°～35°，具有大量沖溝、獨立山頭，地口、順風向山脊等多種典型的地形，為復雜的高海拔山地風電場。本風電場規劃范圍內由一條山脊和一片臺地組成。其中，山脊全長22km，高程在2.45～2.85km，面積達到56.5km2，以西北-東南走向為主。在進行風電場微觀選址的過程中，風機單機容量3.6MW，總容量108MW，配建16.2MW/32.4MWh 的儲能，風電場內部設有3個測風塔。本場在進行微觀選址的過程中，主要通過建模和參數分析的方式，對工程范圍內的風能資源進行科學評估，從而選擇更適合風電廠建設的區域位置。

2.2 風電場建模與風況參數分析

在進行風電場建模時，本風電場主要應用基于CFD 模型的流體力學計算軟件，滿足對復雜地形情況下的風電場參數計算要求。在實際建模過程中，選擇與風電場實際安裝機型相同的GW165-5.2MW葉片機型進行計算。這類機型適用于IIIB 類標準風區，適應性可擴展到9m/s 甚至更高年平均風速風區，容量可擴展至5.6MW/6.0MW。在考慮各個機位空氣密度的基礎上，對風電場內3個測風塔的風況參數進行測量。依據這一方法得到的其中一個測風塔的風況結果見表1。

表1 測風塔風況參數

在此基礎上結合地形和成風條件，對風電場的風機位置進行分析，可以明確測風塔之間的風向分布能夠體現出較好的一致性。

對風電場的風況參數進行分析，主要以CFD 計算模擬的方式，得到風電場的風速、風能分布規律等信息，借助加速因子來對各點的極端封控進行計算，進而模擬各機位點的入流角以及風切變情況，從而明確風機安裝應考慮的主要因素。

在對風控參數進行分析時，還發現山脊位置的湍流強度較小，背風坡湍流強度較大，容易在部分區域產生渦流，因而對風機的選址應盡可能避開背風區和風影區。從風機設計的角度來看，為尋找最佳入流角來獲得更多的風能量，按照通常情況下入流角絕對值為8°的標準，對風電場的模擬發電量進行計算分析。結果發現，除個別位于沖溝邊緣的入流角較大外，其余入流角受到復雜地形條件的影響較小?；诖?，應能夠加強對于風速、湍流、大氣穩定度等指標變化對風機安裝建設產生的影響。

2.3 機組安全等級

以保障風電場機組安全為主要目的，將能夠在機組設計安裝時，以極端風速、湍流強度等指標作為風機選型的主要依據。在對風電場的微觀選址進行復核時，應能夠對風機選型的平均風速進行單獨核算與驗算。在當前的相關規定標準中，依據50年一遇的最大風速，將風機分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種類型。而依據湍流強度大小不同，將風機分為A、B、C 三種類型。

本風電場在風機選型方面，通過對50年一遇最大風速的計算以及湍流強度等因素的分析，來確定風電機組的安全等級。在這一過程中，主要依據以下公式對風機選型中涉及的參數進行計算：ρ=P/RT。式中：ρ 代表空氣密度，單位為kg/m3；P 代表年平均氣壓，單位為pa；R 代表氣體常數，計算時取287J/（kg·k）；T 代表年平均開氏溫標絕對溫度，計算時以t℃+273為主。

在實際計算中，以分片區的方式，基于以上公式明確風電場各機位的風速計算情況，得到的部分A 類、B 類機位風速計算結果見表2。

表2 風電場部分機位風速計算結果

在風速一定的情況下，空氣密度變化使得實際產生的風壓也不同。為實現對于封控參數的科學計算，要將實際的計算情況折算至標準狀況下，考慮平均風速的影響，確定風電機組的安裝等級。結合表2中的計算結果，可以發現Ⅱ類和Ⅲ類機位即可滿足風量要求。

從湍流強度的角度對風電場微觀選址的安全等級進行評估，以測風塔的湍流強度指標進行推算。在確定測風塔湍流強度為已知環境的湍流強度基礎上，結合不同機位的加速、風速情況來進行推算，在明確風機切入風速為3m/s，切出風速為25m/s 的前提下，應能夠重點加強對3～25m/s 風速段內湍流強度變化情況的關注?；诖?，結合本風電場現場的實際情況，在考慮平均風速較大，且部分機位容易產生負切變情況的基礎上，在湍流強度方面主要選擇應用A 類及以上風機機組。

2.4 局地區域設計規律

在考慮復雜地形條件對風電場規劃與微觀選址影響的前提下，應能夠重點針對風電場規劃區域內的迎風坡、背風坡、分支山脊、孤峰等局部特殊地形下監測獲得的參數，加強對風速偏差值的控制。結合以往風電場的規劃建設經驗，在年平均風速為7.5m/s 的情況下，機位風速為6.7m/s，通常會影響到發電量的20%以上。

在構建風機模型和進行參數分析的過程中，受到障礙物風影區或獨立山頭等產生的擾流或脫流影響，相應的微地形下計算結果偏差也較大。例如，對分支山脊與風向夾角不超過22.5°的情況，障礙物風影區、迎風坡等地形的計算結果，會比設計標準值高出12%～17%，對發電量的影響在18%～35%。

同時，在應用模型對風電場進行規劃和微觀選址的過程中，還應考慮復雜地形條件對發電量變化值的影響。從風能資源評估的角度進行分析，考慮風電場發電量可能因尾流、風機可利用率、電氣損耗、功率曲線差異、氣候等因素導致損失，且損失折減通常在20%～35%，也會使得最終的選址評估結果偏離實際值。

針對這一方面的問題，應能夠在風電場的規劃和微觀選址階段，做好發電量的不確定性評估，以假設發電量遵循正態分布規律為前提，對發電量的平均值和標準差偏差值進行計算分析。進而依據實際的發電量評估結果來對風電場現有的資金財務內部收益率進行評估。由于本風電場的發電量較好，且具有較強的抗風險能力，在明確發電量平均值的基礎上，從標準差偏差的角度，按照資金內部收益率為8%的標準進行反算，將以此獲得的年等效小時數，作為對發電量不確定性進行評估的標準和依據。

2.5 風電場環境效益

從風電場環境效益的角度，對風電場規劃與微觀選址的效果進行評價，應能夠以風電場的發電量、節能效果、耗電成本等為主要內容。依據以上技術方案和思路對風電場進行規劃建設，每年可以為電網提供302400MWh，按照燃煤發電的301.5g/kWh煤耗量進行計算，則每年可以節約標煤91200t。

而從風電場規劃建設對環境影響的角度，考慮風機運行過程中產生的噪聲、風機對鳥類遷徙的影響、風機與周圍景觀融合等方面的問題，應能夠進一步對風電場的規劃建設進行調整。例如，在風電場的規劃中，應設置好針對風機運行的噪聲監測裝置，將距離風電場約5km 左右距離處對背景噪聲值進行測量，再依據下風向的變化情況，圍繞風機塔下以100m 間距進行布點監測。

綜上所述，加強對于風電場微觀選址關鍵技術的應用重視，能夠有效保障和提升風電場的規劃建設效果。結合本文風電場微觀選址與建設發展的經驗，在進行風電場的規劃建設中，可以結合風電場規劃范圍內的現場環境，建設風電場的微觀模型，以工程現場范圍內工況參數的變化情況，作為規劃建設的主要參考依據。在此基礎上，從環境效益的角度來驗證風電場微觀選址與規劃建設的科學性。