楊競銳，戴謙訓(xùn)，周毅

(1.中電投云南國際電力投資有限公司，昆明 650228；2.中水顧問集團(tuán)昆明水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，昆明 650117)

高原山地風(fēng)電場風(fēng)資源利用研究

楊競銳，戴謙訓(xùn)，周毅

(1.中電投云南國際電力投資有限公司，昆明 650228；2.中水顧問集團(tuán)昆明水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，昆明 650117)

介紹高原山地風(fēng)電場在空氣密度、風(fēng)能分布等方面的特點(diǎn)，結(jié)合風(fēng)電項(xiàng)目的實(shí)際科研和設(shè)計(jì)情況，對高原地區(qū)山地風(fēng)電場風(fēng)資源的特性進(jìn)行了研究，提出了有效利用思路和方法。

高原；山地；風(fēng)電；有效利用。

1 高原山地風(fēng)電場建設(shè)的特點(diǎn)

1.1 高原山地風(fēng)電的主要特點(diǎn)

我國高原山地風(fēng)電場運(yùn)行情況的調(diào)查結(jié)果表明，大部分風(fēng)電場年平均容量系數(shù)在0.21～0.24之間，有些風(fēng)電場單機(jī)年平均容量系數(shù)僅為0.16～0.18。目前許多風(fēng)電場建成投產(chǎn)后實(shí)際年發(fā)電量比預(yù)測值要低20%～30%，還有極少數(shù)風(fēng)電場甚至低達(dá)40%。研究表明，其中一個(gè)重要原因就是我國風(fēng)電場地形比較復(fù)雜，風(fēng)資源評估和風(fēng)機(jī)布置不合理。

云南省大部分風(fēng)資源富集于地形復(fù)雜的山區(qū)。高海拔山地環(huán)境下，風(fēng)電機(jī)組除了面對低氣壓、高湍流等問題，還可能面臨高濕度和低氣溫造成的嚴(yán)重冰凍。同時(shí)在充分利用風(fēng)資源方面，要特別注意山地復(fù)雜地形條件下風(fēng)機(jī)布置的優(yōu)化，需要重點(diǎn)考慮大氣熱穩(wěn)定度、尾流損失的影響。

1.2 開展研究工作的意義

隨著風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)的持續(xù)進(jìn)行，風(fēng)資源相對豐富、地形復(fù)雜的山區(qū)將是今后陸上風(fēng)電開發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)，而山地風(fēng)電項(xiàng)目通常交通不便，施工難度較大，后期維護(hù)不便。因此研究高原地區(qū)山地風(fēng)電場的特點(diǎn)，充分利用風(fēng)資源，對于提高項(xiàng)目效益具有十分重要的意義。

2 風(fēng)資源特性分析

2.1 風(fēng)電場地理位置

某風(fēng)電場規(guī)劃場址區(qū)域最高點(diǎn)2 600 m。另一個(gè)風(fēng)電場海拔高度在2 300 m～2 900 m之間。地形也多為連續(xù)山脊，均屬于典型的高原山地風(fēng)電場。

2.2 風(fēng)電場測風(fēng)資料分析

2.2.1 測風(fēng)塔數(shù)據(jù)

大荒山風(fēng)電場區(qū)域先后設(shè)立有6座測風(fēng)塔，進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓的觀測。6座測風(fēng)塔中5475#、5441#、11573#、61005#塔測風(fēng)高度為70 m，后期補(bǔ)立的6607#、6608#測風(fēng)塔測風(fēng)高度為80 m。5475#、5441#、6607#、6608#測風(fēng)塔采用NRG測風(fēng)設(shè)備，11573#測風(fēng)塔采用賽風(fēng)測風(fēng)設(shè)備，61005#測風(fēng)塔采用wnd測風(fēng)設(shè)備。6座測風(fēng)塔基本情況見表1。6座測風(fēng)塔位置分布及風(fēng)電場范圍見圖1。

表1 大荒山風(fēng)電場各測風(fēng)塔基本情況

表2 打掛山風(fēng)電場測風(fēng)塔基本情況

2.2.2 空氣密度計(jì)算

《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》 (GB/T 18710-2002)推薦了兩種空氣密度計(jì)算公式：

式中：ρ—空氣密度 (kg/m3)；

P—年平均氣壓 (Pa)；

R—?dú)怏w常數(shù) (287 j/kg·k)；

T—年平均開氏溫標(biāo)絕對溫度 (t℃+273)。

ρ= (353.05/T) exp-0.034(z/T)(2)

式中：z—風(fēng)電場海拔高度 (m)。

大荒山風(fēng)電場根據(jù)實(shí)測情況，11573#、5441 #、5475#測風(fēng)塔的空氣密度用實(shí)測的氣溫氣壓代入公式 (1)進(jìn)行推算，而61005#、6607#、6608 #測風(fēng)塔的空氣密度則由公式 (2)進(jìn)行推算，式中年平均氣溫按下式計(jì)算：

61005#測風(fēng)塔：T=T1-(Z2-Z1)×0.006

式中：

T1為11573#測風(fēng)塔觀測年的實(shí)測平均氣溫值，Z1為11573#測風(fēng)塔的海拔高度，Z2為61005 #測風(fēng)塔所在位置的海拔高度。

6607#測風(fēng)塔：T=T1-(Z2-Z1)×0.0065

T1為5441#測風(fēng)塔觀測年的實(shí)測平均氣溫值，Z1為5441#測風(fēng)塔的海拔高度，Z2為6607#測風(fēng)塔所在位置的海拔高度。

6608#測風(fēng)塔：T=T1-(Z2-Z1)×0.0065

T1為5475#測風(fēng)塔觀測年的實(shí)測平均氣溫值，Z1為5475#測風(fēng)塔的海拔高度，Z2為6608#測風(fēng)塔所在位置的海拔高度。

空氣密度詳見表3：

表3 大荒山各測風(fēng)塔空氣密度

打掛山風(fēng)電場05862#和11546#兩個(gè)測風(fēng)塔均開展氣溫和氣壓觀測，根據(jù)有效數(shù)據(jù)完整率的實(shí)際情況，05862#測風(fēng)塔的空氣密度直接應(yīng)用實(shí)測數(shù)據(jù)，代入公式 (1)進(jìn)行推算；11546#測風(fēng)塔氣溫、氣壓缺測66個(gè)，缺測數(shù)不大，也直接代入公式 (1)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到的空氣密度見表4。

表4 打掛山各測風(fēng)塔空氣密度

由此可見，由測風(fēng)塔推算的空氣密度的最大差異超過5%，大氣熱穩(wěn)定度和高度對空氣密度的影響不可忽略。

2.2.3 全年風(fēng)速和風(fēng)功率的年變化設(shè)定時(shí)段的平均風(fēng)功率密度表達(dá)式為：

式中：DWP—平均風(fēng)功率密度 (W/m2)；

n—在設(shè)定時(shí)段內(nèi)的記錄數(shù)；

vi—第i記錄的風(fēng)速 (m/s)值。

以5475#測風(fēng)塔為例，各測層高度風(fēng)速和風(fēng)功率密度年變化成果具體見表5(1～3，7～9月)。

表5 5475#測風(fēng)塔風(fēng)速 (m/s)年變化成果表

以80 m高度為例，最風(fēng)速年變化見圖3，風(fēng)功率密度見圖4：

圖3 各測風(fēng)塔80m高度風(fēng)速年變化曲線圖

圖4 各測風(fēng)塔80m高度風(fēng)功率密度年變化曲線圖

各測風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)功率密度的年內(nèi)變化基本一致，高原地區(qū)山地風(fēng)電場12月～4月風(fēng)速、風(fēng)功率密度較大，7月～10月的風(fēng)速、風(fēng)功率密度較小，具有明顯的全年兩季風(fēng)特征。

2.2.4 風(fēng)速和風(fēng)能頻率分布

以5475#測風(fēng)塔70 m高度數(shù)據(jù)作為代表進(jìn)行分析，風(fēng)速和風(fēng)能頻率直方圖見圖5：

圖5 5475#測風(fēng)塔70 m高度風(fēng)速和風(fēng)能頻率直方圖

數(shù)據(jù)表明風(fēng)速和風(fēng)能基本符合泊松分布，各個(gè)測風(fēng)塔不同高度的數(shù)據(jù)均有此特性。因此風(fēng)能充分利用的關(guān)鍵在于風(fēng)速和風(fēng)能集中的區(qū)間。

2.2.5 風(fēng)切變指數(shù)

風(fēng)切變指數(shù)可描述風(fēng)矢量在垂直方向上的空間變化情況。風(fēng)切變指數(shù)由下式計(jì)算：

式中：v2v1—某兩個(gè)高度的實(shí)測風(fēng)速值 (m/ s)；

z2z1—與v2v1對應(yīng)的高度 (m)。

各測風(fēng)塔的風(fēng)切變指數(shù)見表6，其中5475#、5441#、11573#測風(fēng)塔風(fēng)切變指數(shù)較小，在0.003～0.153之間；61005#測風(fēng)塔10 m高度與其他測風(fēng)高度的風(fēng)切變指數(shù)偏大，在0.274～0.344之間，70 m和50 m、60 m的風(fēng)切變指數(shù)偏大。同平原地區(qū)風(fēng)電相比，風(fēng)切變現(xiàn)象受地形變化的影響尤為明顯。

2.2.6 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度用于度量相對于風(fēng)速平均值而起伏的湍流的強(qiáng)弱，10 min湍流強(qiáng)度I按下式計(jì)算：

式中：σ—10 min風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差 (m/s)；V—10 min平均風(fēng)速 (m/s)。

對風(fēng)電場建設(shè)而言，主要關(guān)心的是大風(fēng)速對風(fēng)機(jī)的影響，較小的風(fēng)速對風(fēng)機(jī)的影響不是很大，因此本次分別取4 m/s、12 m/s、15 m/s、18 m/s以上以及風(fēng)速介于14.5 m/s～15.4 m/s之間的風(fēng)速進(jìn)行湍流強(qiáng)度計(jì)算，見表7。各測風(fēng)塔的湍流強(qiáng)度介于0.019 8～0.248 9之間。離散度較大。

表6 風(fēng)切變指數(shù)

表7 各測風(fēng)塔湍流強(qiáng)度

測風(fēng)塔測風(fēng)高度 10 m 30 m 50 m 70 m 5441風(fēng)速大于等于4 m/s 0.152 2 0.150 5 0.146 2 0.029 1風(fēng)速大于等于12 m/s 0.140 2 0.139 2 0.139 9 0.019 8風(fēng)速大于等于15 m/s 0.136 3 0.130 4 0.129 2 0.027 7風(fēng)速大于等于18 m/s 0.128 8 0.122 7 0.121 9 0.028 9風(fēng)速介于14.5～15.4 m/s 0.144 1 0.138 1 0.139 0 0.024 3 61005風(fēng)速大于等于4 m/s 0.248 9 0.234 0 0.224 2 0.129 8風(fēng)速大于等于12 m/s / 0.185 7 0.164 7 0.143 2風(fēng)速大于等于15 m/s / 0.184 5 0.154 3 0.134 5風(fēng)速大于等于18 m/s / / / 0.137 6風(fēng)速介于14.5～15.4 m/s / 0.168 7 0.161 3 0.143 0

2.3 風(fēng)資源特性結(jié)論

基于上述分析，有以下結(jié)論：

1)在同一山地風(fēng)電場內(nèi)，不同位置風(fēng)資源差異較大，僅就大荒山風(fēng)電場而言，5475#、11573#、5441#、61005#、6607#、6608#測風(fēng)塔50 m高度風(fēng)功率密度分別為287 W/m2、395 W/m2、237 W/m2、126 W/m2、205 W/m2、169 W/m2，按國家風(fēng)能資源等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)功率密度等級為2級、3級、2級、1級、2級、1級。

2)山地風(fēng)電場主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)能方向較為集中，5475#測風(fēng)塔70 m高度主導(dǎo)風(fēng)向和主風(fēng)能方向主要集中在SW～W，風(fēng)能集中程度約占總風(fēng)能的84.6%；11573#測風(fēng)塔70 m高度主導(dǎo)風(fēng)向和主風(fēng)能方向主要集中在SSW～WSW，風(fēng)能集中程度約占總風(fēng)能的88.8%；5441#測風(fēng)塔70 m高度主導(dǎo)風(fēng)向和主風(fēng)能方向主要集中在SW～W，風(fēng)能集中程度約占總風(fēng)能的89%；61005#測風(fēng)塔70 m高度主導(dǎo)風(fēng)向和主風(fēng)能方向主要集中在SW～W，風(fēng)能集中程度約占總風(fēng)能的89%；6607#測風(fēng)塔80 m高度主導(dǎo)風(fēng)向和主風(fēng)能方向主要集中在SW～W，風(fēng)能集中程度約占總風(fēng)能的93.5%；6608#測風(fēng)塔80 m高度主導(dǎo)風(fēng)向和主風(fēng)能方向主要集中在SSW～W，風(fēng)能集中程度約占總風(fēng)能的87.7%。風(fēng)場風(fēng)向穩(wěn)定性較好，風(fēng)能方向集中程度較高，有利于風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)布置，減少偏航操作。

3)各測風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)功率密度的年內(nèi)變化和日內(nèi)變化基本一致，但湍流強(qiáng)度離散度不低，一定程度上不利于風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

4)分析區(qū)域空氣密度0.92 kg/m3左右，僅為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度的75%，同時(shí)受大氣熱穩(wěn)定度的影響較大，因此在風(fēng)機(jī)選型時(shí)應(yīng)綜合考慮風(fēng)電場的風(fēng)能資源條件、運(yùn)輸條件、空氣密度、風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度等因素，選擇適合本風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組，以便盡可能充分利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源，提高發(fā)電量。

3 機(jī)組容量與機(jī)位的匹配

3.1 匹配的原則

基于高原山地風(fēng)電場風(fēng)資源的特性，經(jīng)過模擬分析計(jì)算，以充分利用風(fēng)能資源為目標(biāo)，在機(jī)組容量和位置選擇時(shí)應(yīng)有以下原則：

1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組盡可能布置在發(fā)電量較大的位置，即年有效利用小時(shí)數(shù)較大。在年平均風(fēng)速為11 m/s左右的區(qū)域，年有效利用小時(shí)數(shù)應(yīng)不小于2 000 h；在年平均風(fēng)速為8 m/s左右的區(qū)域，年有效利用小時(shí)數(shù)應(yīng)不小于1 800 h；

2)各風(fēng)機(jī)機(jī)位處的尾流損失一般不超過8%，最大不應(yīng)超過10%；

3)根據(jù)風(fēng)電場的風(fēng)能方向，確定合理的行列距，減少風(fēng)電機(jī)組相互間尾流和湍流影響，增加發(fā)電量。

在以綜合年有效利用小時(shí)數(shù)、尾流損失和風(fēng)機(jī)間隔這三方面作為主要約束因素外，還應(yīng)考慮風(fēng)機(jī)機(jī)位處的最大入流角、風(fēng)切變、湍流強(qiáng)度等指標(biāo)，兼顧充分利用地形，考慮運(yùn)輸和施工安裝條件等進(jìn)行調(diào)整。

3.2 對原設(shè)計(jì)方案的調(diào)整

原設(shè)計(jì)方案中，風(fēng)電場均采用同一容量的風(fēng)機(jī)，同時(shí)在機(jī)位布置上精細(xì)程度相對不高，因此根據(jù)匹配原則結(jié)合模擬分析成果，首先按照風(fēng)速將大荒山風(fēng)電場場址劃分為三個(gè)片區(qū)：東部高風(fēng)速區(qū)、西部高風(fēng)速區(qū)、中等風(fēng)速區(qū)，風(fēng)速大于8 m·s-1的機(jī)位處的風(fēng)機(jī)由2 MW調(diào)整為2.5 MW。中等風(fēng)速區(qū)仍采用2 MW的風(fēng)機(jī)但調(diào)整部分機(jī)位以更好的匹配風(fēng)能，取消了低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)機(jī)。具體風(fēng)機(jī)混排方案見表8。

表8 風(fēng)速分區(qū)風(fēng)機(jī)混排統(tǒng)計(jì)表

同時(shí)根據(jù)現(xiàn)在風(fēng)電的發(fā)展情況，考慮使用風(fēng)資源利用率更高的直驅(qū)機(jī)型，分別采用上海電氣2 MW風(fēng)機(jī)和金風(fēng)2.5 MW風(fēng)機(jī)進(jìn)行混排，在同一外部邊界條件下進(jìn)行分析，計(jì)算見表9、圖6。

表9 不同方案計(jì)算結(jié)果對比

圖6 不同方案計(jì)算結(jié)果對比

經(jīng)過對比分析可知：直驅(qū)風(fēng)機(jī)混排方案 (上海電氣+金風(fēng))年上網(wǎng)電量為702 239 MWh，較原方案增加6.3%，年平均有效利用小時(shí)數(shù)為2 194 h，較原方案較少0.4%；雙饋風(fēng)機(jī)混排方案(上海電氣+運(yùn)達(dá))年上網(wǎng)電量為725 271 MWh，較原方案增加9.8%，年平均有效利用小時(shí)數(shù)為2 256 h，較原方案增加2.5%。

相比原方案，兩種混排方案均增加18 MW裝機(jī)容量，其中：直驅(qū)風(fēng)機(jī)混排方案年上網(wǎng)電量可增加4 151.4萬kWh，根據(jù)發(fā)改委制定的 《全國風(fēng)力發(fā)電標(biāo)桿電價(jià)》，按Ⅳ類資源區(qū)計(jì)算，上網(wǎng)電價(jià)0.61元/kWh，年平均增加效益可達(dá)2 532.4萬元；雙饋風(fēng)機(jī)混排方案年上網(wǎng)電量可增加6 454.6萬kWh，年平均增加效益可達(dá)3 937.3萬元，見表10和圖7。

表10 不同方案經(jīng)濟(jì)效益對比表

圖7 混排方案年增加收益對比圖

4 結(jié)束語

1)高原山地風(fēng)電場應(yīng)重視風(fēng)資源的不均勻分布、空氣密度、大氣熱穩(wěn)定度、風(fēng)機(jī)尾流損失等山地風(fēng)電特性，因此宜在項(xiàng)目前期對測風(fēng)塔的數(shù)量和布置情況進(jìn)行分析，使測風(fēng)數(shù)據(jù)能夠?yàn)楦娴恼莆崭咴降仫L(fēng)電場的實(shí)際情況提供支撐。

2)由于山地風(fēng)電風(fēng)資源分布差異化大的特性，在具備條件的機(jī)位宜布設(shè)較大容量的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)間距也可以適當(dāng)減小，研究表明機(jī)位間距在2D～2.5D范圍內(nèi)也并未產(chǎn)生不利的相互影響，因此在機(jī)組容量和間距選擇上應(yīng)根據(jù)山地風(fēng)電場的具體特性確定，不必拘泥于低海拔簡單地形區(qū)域風(fēng)電場的經(jīng)驗(yàn)。

3)從優(yōu)化產(chǎn)能，提高總體效益出發(fā)，在不需要保證總裝機(jī)規(guī)模的情況下，風(fēng)速小，年利用小時(shí)低的區(qū)域并不宜布置風(fēng)機(jī)，以打掛山項(xiàng)目為例，最終調(diào)整后的總裝機(jī)規(guī)模較原設(shè)計(jì)方案略有降低。但在投資減少1.24%的情況下反而實(shí)現(xiàn)了年上網(wǎng)電量7.34%的增幅，因此在高原地區(qū)山地

4)大容量直驅(qū)機(jī)型目前應(yīng)用并不多，在高原山地應(yīng)用更少，但其風(fēng)能利用充分和維護(hù)量小的特性對高原山地風(fēng)電場具有積極的意義，雖然其長期使用的可靠性有待檢驗(yàn)，但仍值得逐步推廣。

[1] 張華，等.打掛山風(fēng)電場微觀選址復(fù)核研究報(bào)告 [Z].華北電力大學(xué).

[2] 張華，等.大荒山風(fēng)電場微觀選址復(fù)核研究報(bào)告》華北電力大學(xué).

[3] GB/T 18710-2002.風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》.

Research on Effective Utilization of Plateau Mountainous Wind Power

YANG Jingrui，DAI Qianxun，ZHOU Yi
(1.China Power Investment Corpration，Kunming 650228；2.HYDROCHINA Kunming Engineering Corporation 650117)

This thesis explores the characteristics of wind resources in mountainous plateau area on the basis of data and designs of Dahuangshan and Daguashan wind farm，and puts forward some effective ideas and methods on better use of wind resources.

plateau；mountain；wind power；effective utilization

TM73

B

1006-7345(2014)04-0009-06

2014-03-13

楊競銳 (1979)，男，本科，高級工程師，主要從事電力行業(yè)科學(xué)研究工作。

戴謙訓(xùn) (1969)，男，本科，教授級高級工程師，主要從事電力行業(yè)科學(xué)研究工作。

周毅 (1979)，男，本科，高級工程師，主要從事風(fēng)電設(shè)計(jì)工作。