文 | 楊濟暢，包振海，余美辰

風電場設(shè)立測風塔的目的是為了能夠準確反映將來風電場內(nèi)的資源情況，為風電場的風資源評估、微觀選址提供數(shù)據(jù)支持。據(jù)統(tǒng)計分析，測風數(shù)據(jù)10%的誤差可能導致風電場年產(chǎn)能30%左右的誤差，而因為風資源數(shù)據(jù)不夠準確，導致湍流、極大風速等判斷失誤，甚至會從根本上影響一些機位的載荷計算與判定，為后續(xù)風電場安全運行埋下了極大的隱患。

目前主要的測風塔選址方法是利用一些現(xiàn)有的中大尺度數(shù)據(jù)平臺（例如3TIER，遠景能源的格林威治云平臺）進行資源的初步分析并布置風電機組，在此基礎(chǔ)上根據(jù)資源情況結(jié)合機位對測風塔位置進行預判。但是隨著目前國內(nèi)風電開發(fā)區(qū)域已經(jīng)逐步向著年平均風速5.5m/s甚至5m/s的區(qū)域轉(zhuǎn)移，年滿發(fā)等效小時數(shù)也逐步向著2000h甚至1800h邁進。這些區(qū)域?qū)︼L資源評估的準確性提出了更高的要求，一旦評估出現(xiàn)誤差，就可能導致項目投產(chǎn)后出現(xiàn)虧損。而針對這些低風速項目，以往的方法都存在精度不足的問題，容易導致測風塔位置、數(shù)量、高度等不夠合理，放大后續(xù)風資源評估及微觀選址等的不確定性，而且一旦測風結(jié)果不理想，放棄項目也容易造成浪費。因此必須尋求新的測風塔選址方法，使得測風塔選址更加標準化和精確化，測風數(shù)據(jù)對于后期風電場機位更具代表性。

此外，風電場在建設(shè)完成后，場區(qū)內(nèi)的測風塔會受到風電機組尾流的影響，測得數(shù)據(jù)已經(jīng)無法代表風電場真實風資源狀況，很難滿足風功率預測的需要，而重新立塔必然會造成一定的資金浪費。因此在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，運用目前最常用WT資源評估軟件，結(jié)合精度較高的中尺度數(shù)值模式，找到一種精度較高、較為合理且易于實施，能同時滿足前期風資源評估和后期短期、超短期功率預報的測風塔位置判定方法是目前研究的主要方向。

基于流場模擬的測風塔位置初判

隨著流場模擬技術(shù)（CFD）的逐步成熟和在風電領(lǐng)域的大規(guī)模應用，借助流場模擬技術(shù)進行測風塔選址已經(jīng)變得完全可行，進行流場模擬的前提是進行網(wǎng)格劃分（圖1），即將整個項目區(qū)域及周邊劃分為多個扇區(qū)，每個扇區(qū)在水平及垂直上劃分為數(shù)以千萬計的三維網(wǎng)格，在現(xiàn)有技術(shù)條件并保證計算速度的前提下，最小的網(wǎng)格分辨率可達水平10m，垂直3m，保證分析結(jié)果能夠準確反映局部地形、地貌的變化對微觀流場產(chǎn)生的影響。利用軟件逐網(wǎng)格求解NS方程，準確模擬地形起伏變化及地表粗糙度對風流的影響，最終實現(xiàn)對整個項目區(qū)域的流場分析。

在最終完成項目區(qū)域流場模擬后，即可進行測風塔位置初選。影響風況的風流參數(shù)主要有風加速因數(shù)、湍流強度、水平偏差和入流角。測風塔位置應滿足如下條件：

圖1 多重網(wǎng)格求解及流場模擬示意圖

（1）所選區(qū)域風加速因素處于風電場整體平均水平。

（2）所選區(qū)域湍流強度最小。

（3）所選區(qū)域水平偏差值絕對值最小。

（4）所選區(qū)域入流角絕對值最小。

以上條件與進行常規(guī)測風塔選址時的要求是相通的，測風塔選址時要求測風塔附近無明顯障礙物遮擋、避免受氣流畸變影響，反映在CFD分析圖譜中即是要求選擇湍流強度最小、水平偏差及入流角絕對值最小的區(qū)域。

示例項目初判結(jié)果

此次預開發(fā)項目位于東北某省市，開發(fā)容量49.5MW。該項目區(qū)域地形條件較為復雜，場址規(guī)劃范圍為一條高低起伏的山脊，山體最大落差約300m左右（圖2）。

借助Meteodyn WT和項目區(qū)域地形圖、粗糙度圖對該區(qū)域進行流場分析，最終獲得相關(guān)分析圖譜。然后根據(jù)圖譜及上述初選基本原則，即可初步確定測風塔位置。例如根據(jù)湍流強度圖譜，初步確定的測風塔可安裝位置如圖3所示，圖中白色圓圈標出的紫色最深區(qū)域即為整個項目區(qū)中湍流強度最小的區(qū)域。再根據(jù)風加速因數(shù)、入流角等約束條件，最終選出的重疊位置即為測風塔初選位置（如圖4中白色多邊形所示）。

中尺度模式在測風塔選址中的應用

在利用CFD流場模擬技術(shù)初步確定測風塔備選區(qū)域后，并不能確定測風塔的準確位置，必須結(jié)合中尺度數(shù)值模擬進行微觀選址，利用風資源圖譜確定所有風電機組最優(yōu)點位，根據(jù)點位及測風塔代表范圍，確定測風塔具體位置。

圖2 項目區(qū)域衛(wèi)星圖

圖3 湍流強度分布圖

圖4 測風塔初選位置

隨著計算機運算速度的不斷提升，在復雜地形條件下進行精確的中尺度氣象數(shù)值模擬已經(jīng)變得十分快捷，而經(jīng)模擬得到的數(shù)據(jù)分辨率甚至可以達到1km×1km。以目前國內(nèi)技術(shù)水平，可以將同位置中尺度模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的平均誤差縮小到7%以內(nèi)，再利用“降尺度”手段，實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)與實際地形的嵌套，提高風資源圖譜空間分辨率，即可以滿足風電場初步風資源評估的需求（圖5、圖6）。在擬開發(fā)項目區(qū)無測風塔實測數(shù)據(jù)的情況下，中尺度氣象數(shù)值模擬可以快速準確地判斷項目的整體風資源狀況，能夠作為項目是否開發(fā)立項、是否立塔的重要決策依據(jù)。

結(jié)合微觀選址的測風塔位置復選

根據(jù)項目規(guī)劃容量進行初步的微觀選址，因不確定未來風電場選用機型功率大小，故進行微觀選址時應選擇適合當?shù)刂谐叨葦?shù)值模擬結(jié)果及氣象數(shù)據(jù)所展現(xiàn)的風況和氣候狀況且功率較小的風電機組。例如一個風電場規(guī)劃容量49.5MW，目前國內(nèi)主流風電機組中功率最小的風電機組一般為1.5MW，故應選擇布置至少35臺1.5MW的風電機組（一般選取數(shù)臺風電機組作為測風塔備選位置）進行微觀選址，確保測風塔最終能夠代表該區(qū)域內(nèi)所布置的絕大多數(shù)風電機組機位處風況。

在完成微觀選址后，即可根據(jù)測風塔在不同地形、粗糙度下的代表性范圍，將合適的風電機組點位替換為測風塔點位。這樣一來，不但可以保證測風塔受氣流畸變等不利因素的影響較小，而且在未來進行微觀選址設(shè)計時，測風塔的代表性范圍及數(shù)量能夠真正覆蓋絕大多數(shù)風電機組。

為保證風電機組布置與最終風電場設(shè)計結(jié)果不會產(chǎn)生太大差別，機組選型及布置應遵循相關(guān)的國家標準及行業(yè)規(guī)范，例如風電機組應滿足安全等級要求，機組排布應選擇風資源分布較好的區(qū)域進行風電機組排布，兼顧風電機組運輸?shù)跹b的難易程度等。

測風塔立塔方案比選與確定

依然以上述項目為例，此次選用某廠家的WTG82-1500型風力發(fā)電機組，共布置有35臺風電機組，考慮到項目地形及風電機組位置，可將圖4三處白圈內(nèi)的兩臺風電機組機位替換為測風塔位置。根據(jù)表1中提到的測風塔代表性范圍，并結(jié)合實際地形分析，該項目測風塔最大代表半徑不應超過3.5km，最終兩個測風塔應該能夠代表整個項目區(qū)域的各風電機組點位處的風況。

選擇圖4上部白圈中的T1及中部白圈中的T16機位作為測風塔位置，根據(jù)代表性半徑，最終代表范圍如圖7所示。

由圖7可以看出T1及T16兩處機位作為測風塔位置雖然可以滿足整個風電場的代表性要求，但是風電場最下方10多臺風電機組處于代表性半徑的黃色圓圈邊緣地帶，而處于該黃色圓圈中心地帶的風電機組僅有5臺（圖7中綠色方框內(nèi)），且兩個測風塔代表性范圍還有重疊部分，故該方案并非最優(yōu)。

圖5 中尺度數(shù)據(jù)模擬流程圖

圖6 降尺度計算示意圖

表1 不同地形下測風塔的代表性范圍參考半徑

選擇圖4上部白圈中的T1風電機組與最下部白圈中的T3風電機組作為測風塔位置，根據(jù)代表性半徑，最終代表范圍如圖8所示。

可以看出以T1及T3機位作為測風塔位置時，測風塔代表性范圍依然能夠覆蓋全部風電機組機位，僅有兩臺風電機組（圖8綠色方框內(nèi)）處于T3位置測風塔代表性邊緣地帶，但是風電場最南方的十余臺風電機組風況代表性可以達到最優(yōu)。故初步確定T1及T3機位作為測風塔位置。

針對風功率預測的測風塔最終定位

根據(jù)風電場風流參數(shù)定向計算選出的測風塔位置，可用于前期的測風數(shù)據(jù)積累，用于風資源評估。但是一旦項目開工建設(shè)，風電機組吊裝后，由于尾流、湍流的影響，原有的測風塔不一定適用于進行短期、超短期風功率預測，但是重新立塔不但費時費力，同時也造成了資源的浪費。因此，應該在測風塔位置復選的基礎(chǔ)上，對暫定替換為測風塔的機位進行再次分析，爭取選出既能夠滿足前期評估，又可以滿足后期功率預測的測風塔點位。

為了滿足風功率預測的需要，要求測風塔位置在能夠代表場區(qū)風資源狀況的基礎(chǔ)上，盡量消除尾流、湍流的影響，同時在一些主要的迎風方向上，風加速因數(shù)應該接近風電場平均值。一般情況下，完全沒有尾流影響的測風塔位置是不存在的，因為那樣就會失去對布機區(qū)域風況的代表性。借助于流場模擬，可以對完成布機后的風電場進行定性分析，獲得每一個機位處的風流參數(shù)，即可判斷機位對于風功率預測的適用性。

圖7 測風塔代表性示意圖（代表半徑3.5km）

圖8 測風塔代表性示意圖（代表半徑3.5km）

示例項目測風塔的最終定位

根據(jù)前期中尺度數(shù)值模擬分析（圖9），發(fā)現(xiàn)該風電場主導風向為北風，該方向風向頻率高達48.21%，因此測風塔位置在主導風向上應該無風電機組遮擋，且風加速因數(shù)應該適中。

對T1及T3周邊機位進行分析，如表2及表3所示。從表2可以看出，T32機位處尾流影響最小，但是風電機組高程、平均風速明顯低于平均水平，且湍流、入流角過大，對于風電場整體風況代表性不足。相比而言T1機位處尾流的影響相對較小，且高程、平均風速、湍流強度、入流角、盛行風向風加速因數(shù)等值均更接近風電場平均狀況。綜上所述，T1機位既可作為資源評估的測風塔位置，也可作為后期風功率預測的測風塔位置。

從表3可以看出，受尾流影響最小的為T4機位，尾流折減率只有1.8%。雖然T23與T35機位高程、平均風速更接近平均值，但是湍流、尾流影響相對較大。T18、T21機位處海拔高程、平均風速及盛行風向風加速因數(shù)過大，T3、T4和T9機位各參數(shù)接近，故選擇湍流最小、尾流影響最小的T4機位，替換T3機位，作為最終的測風塔位置。

圖9 中尺度數(shù)據(jù)風向玫瑰圖

表2 T1風電機組周邊機位分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表3 T3風電機組周邊機位分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖10 最終的測風塔位置及代表范圍

最終T1位置不變，T3位置替換為T4，即可得到最終的測風塔位置（圖10），用以同時滿足前期評估及后期風功率預測的需求，風電機組尾流對測風塔剩余的尾流影響已經(jīng)比較微弱，后期可以通過修正風功率預測系統(tǒng)的計算邏輯來進行修正。由于地形圖、粗糙度圖的精度影響，所獲得的測風塔點位還應進行現(xiàn)場確認，必要時進行微調(diào)。

結(jié)論

本文提出了一種新的測風塔選址手段，通過流場模擬將以往復雜的測風塔選址經(jīng)驗或原則轉(zhuǎn)化為更為容易尋找和判定的風流氣象參數(shù)，最終成功通過量化的參數(shù)找到適合測風塔布置的最佳區(qū)域，從根本上避免因為測風塔位置選擇不合理而導致的數(shù)據(jù)收集質(zhì)量差，甚至產(chǎn)生畸變的問題。隨后再通過貼合實際的微觀選址來判定測風塔代表性好壞，保證求得的測風塔位置及數(shù)量能夠滿足后期絕大多數(shù)機位的評估需求。最終通過分析各機位風流參數(shù)并局部微調(diào)選擇出既可以用于前期風資源評估，又可以用于后期風功率預測的測風塔位置。

攝影：邱岳東