一 、機組選型

準(zhǔn)確、可靠的風(fēng)電場風(fēng)資源評估是風(fēng)電場設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。正確的機組選型是風(fēng)電場設(shè)計的重點和關(guān)鍵，風(fēng)電機組選擇的正確與否直接影響到風(fēng)電場長期運行的安全性和經(jīng)濟效益。

風(fēng)電場的機型選擇主要圍繞風(fēng)電機組運行的安全性和經(jīng)濟性兩方面內(nèi)容，綜合考慮。

1. 風(fēng)電機組的安全性

不同的風(fēng)電場條件具有不同的風(fēng)況、氣候因素等外部條件，因此風(fēng)電機組根據(jù)不同的現(xiàn)場條件有不同的設(shè)計要求及相應(yīng)的安全等級。表1是IEC61400-1(第三版)風(fēng)電機組等級表。

表1 風(fēng)電機組等級表

上表中，所有參數(shù)值均是指輪轂高度處的參數(shù)：

Vref -參考風(fēng)速(10min平均值);

A -較高湍流強度等級;

B -中等湍流強度等級;

C -較低湍流強度等級 ;

Iref-風(fēng)速為15m/s時的湍流強度。

50年一遇最大風(fēng)速和湍流強度是機組選型的兩個最基本的指標(biāo)，在風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組的位置確定后，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，還需要對每臺風(fēng)電機組的現(xiàn)場風(fēng)況條件進行安全性評估，評估的風(fēng)資源參數(shù)主要有：

(1)各機位輪轂高度處的50年一遇最大風(fēng)速(10min)和極大風(fēng)速(3s);

(2)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);

(3)在0.2Vref～0.4Vref之間風(fēng)速分布概率密度小于風(fēng)電機組設(shè)計值;

(4)入流角(入流氣流與水平面的夾角≤8°);

(5)風(fēng)切變系數(shù)0.05

(6)在主風(fēng)向的機位多于5排或垂直主風(fēng)向的距離小于3D(D為風(fēng)電機組葉輪直徑)時，會增加風(fēng)電場的環(huán)境湍流強度，最終影響機位的有效湍流強度。

2. 風(fēng)電機組的經(jīng)濟性

機組的經(jīng)濟性主要是從風(fēng)電場投資及其發(fā)電量兩方面綜合考慮。在風(fēng)電場總裝機容量一定的條件下，從經(jīng)濟方面考慮，大型的，特別是兆瓦級以上風(fēng)電機組的綜合成本更低一些。從技術(shù)角度來講，風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機逐步從定速運行的感應(yīng)發(fā)電機發(fā)展為風(fēng)能利用率較高的變速運行的發(fā)電機;功率控制也逐漸由定槳距失速型，主動失速型發(fā)展到變槳距功率控制。在機型選擇時應(yīng)根據(jù)條件優(yōu)先考慮具有成本低、技術(shù)先進、風(fēng)能利用率高和應(yīng)用廣泛的大型先進風(fēng)電機組。

二、 機組布置

在風(fēng)電場的風(fēng)能資源分布和風(fēng)電機組確定以后，機組布置是風(fēng)電場項目實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

機組布置即風(fēng)電機組位置的選擇，應(yīng)通過對若干方案的技術(shù)經(jīng)濟比較，確定風(fēng)電場風(fēng)電機組的布置方案，使風(fēng)電場獲得較好的發(fā)電量。

除了風(fēng)電場的風(fēng)能資源分布特點以外，機組布置還需要考慮土地使用、村莊、電力設(shè)施、環(huán)境敏感因素等客觀因素的限制，風(fēng)電機組周圍的地形條件，建筑物、樹木或其它障礙物的不利影響以及風(fēng)電機組之間的尾流影響。

1. 客觀條件限制

(1)風(fēng)電機組與村莊的距離一般要求500m以上，特殊情況至少300m。

(2)風(fēng)電機組離110kV及以上電壓等級線路150m以上。

(3)風(fēng)電機組要避開基本農(nóng)田、礦產(chǎn)、文物、軍事用地、自然保護區(qū)以及其他環(huán)境敏感區(qū)域。

2. 地形條件

滿足風(fēng)電機組的運輸條件和安裝條件。在平坦地形條件下，滿足這一原則是很容易的的。在山區(qū)，滿足這一原則經(jīng)常有難度。要根據(jù)所選機型需要的運輸機械和安裝機械的要求，機位附近要有足夠的場地能夠作業(yè)和擺放葉片、塔筒，道路有足夠的坡度、寬度和轉(zhuǎn)彎半徑使運輸機械能到達(dá)所選機位。

視覺上要盡量美觀。在與主風(fēng)能方向平行的方向成列，垂直的方向上成行。行間平行，列距相同。行距大于列距發(fā)電量較高，但等距布置在視覺上較好。追求視覺上的美觀，會損失一定的發(fā)電量，因此在經(jīng)濟效益和美觀上，也要有一定的平衡。

3. 障礙物影響

在風(fēng)電場中有時會碰到障礙物，障礙物的尾流的大小和強弱與其大小和體型有關(guān)。研究表明，對于無限長的障礙物，在障礙物下風(fēng)向40倍障礙物高度，上方2倍障礙物高度的區(qū)域內(nèi)，是較強的尾流擾動區(qū)，風(fēng)電機組的布置必須避開這一區(qū)域。

障礙物會降低障礙物下風(fēng)向區(qū)域的風(fēng)速，障礙物影響的大小取決于其本身的疏密程度，即透風(fēng)率。建筑物的透風(fēng)率最低，冬季的開闊樹林具有一定的透風(fēng)性，而夏季茂密的樹林的透風(fēng)率比較低。一般來講，障礙物的長度越長，高度越高，相應(yīng)的對風(fēng)速的阻礙效果越明顯。

如圖1所示為模擬7層的建筑物對風(fēng)電機組的影響，其中建筑物高20m，寬60m，風(fēng)電機組與建筑物的距離為300m，風(fēng)電機組的輪轂高度為50m。圖中的數(shù)字表示風(fēng)速減小的影響程度，100表示風(fēng)速沒有損失，99表示風(fēng)速減小1%?？梢钥闯觯L(fēng)電機組輪轂高度處減小了3%，相應(yīng)的風(fēng)能損失約10%。

圖1 氣流經(jīng)過障礙物風(fēng)速衰減圖

4. 尾流影響

氣流在經(jīng)過風(fēng)電機組葉片時能量會減小，實際上，風(fēng)電機組的葉片對風(fēng)速有阻擋作用，在風(fēng)電機組的下風(fēng)向會產(chǎn)生類似輪船尾流的效果，該區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生較大的湍流，同時風(fēng)速也會降低。如圖2為氣流經(jīng)過風(fēng)電機組尾流示意圖。

圖2 氣流經(jīng)過風(fēng)電機組尾流示意圖

風(fēng)電場的風(fēng)電機組布置應(yīng)考慮到風(fēng)電機組之間尾流的影響，風(fēng)電機組之間的距離至少保證3倍的葉輪直徑，在主風(fēng)向上，風(fēng)電機組間的距離應(yīng)更大一些。

國外有研究成果表明，對單臺風(fēng)電機組，在距風(fēng)輪2D-3D的順風(fēng)中心線處，風(fēng)速減少35%-45%;在距風(fēng)輪8D處，風(fēng)速減少10%。尾流的直徑在距風(fēng)輪8D-10D為2.6D - 2.8D。對于行距為8-11D，列距為2-3D的布置，第二排的能量損失在10m/s時為8-20%。在平坦地區(qū)進行的7行布置的風(fēng)電場的測量，其行距為9D，列距2D，第七排比第一排能量約損失20%。

值得注意的是，多行多列布置的能量損失，和地形、地面粗糙度也有關(guān)系，所以上述數(shù)字只是給我們一個感性的認(rèn)識。

一方面，考慮到風(fēng)電機組的尾流影響，我們應(yīng)該使風(fēng)電機組間的距離越大越好;另一方面，土地使用和電網(wǎng)連接的限制又要求風(fēng)電機組間的距離盡可能小。

根據(jù)經(jīng)驗，在平行于主風(fēng)向方向上，風(fēng)電機組間的距離一般保持5~9倍葉輪直徑的距離;在垂直于主風(fēng)向方向上，風(fēng)電機組間的距離一般保持3~5倍葉輪直徑的距離。如圖3所示的排列考慮了多方面的因素，機組呈梅花型布置。

圖3 風(fēng)電機組梅花型布置示意圖

5. 機組布置分析實例

圖4為某風(fēng)電場利用WasP軟件計算的年平均風(fēng)速分布圖，從圖中可以看出，風(fēng)電場區(qū)域的地形條件具有一定的綜合性，包括了粗糙度較小的水域(圖的中間位置)，水域東側(cè)的平地以及水域南部，西部和北部的丘陵地形。從圖中的各個機位的風(fēng)能玫瑰圖可以看出，該地區(qū)的主要風(fēng)能方向是西方及其偏南和偏北方向。由于水面的表面粗糙度較小，來自西風(fēng)經(jīng)過水面后仍有較高的能量。水域的東側(cè)陸地區(qū)域，在氣流登陸后，由于地面粗糙度增大，風(fēng)速的衰減增加，風(fēng)功率密度降低。水域的南側(cè)、西側(cè)和北側(cè)都是丘陵地區(qū)，特別是水域的西側(cè)丘陵區(qū)域的高地(山脊)走向與主風(fēng)向垂直，氣流在流經(jīng)該地區(qū)時隨著地面的抬升產(chǎn)生了強烈的爬坡加速效應(yīng)，風(fēng)速在山頂?shù)貐^(qū)達(dá)到最大值，因此該山頂?shù)貐^(qū)是理想的布機區(qū)域。

圖4 某風(fēng)電場WAsP軟件計算示意圖

三、 發(fā)電量計算

1. 直接測風(fēng)估算法

估算風(fēng)電場發(fā)電量最可靠的方法是在預(yù)計要安裝風(fēng)電機組的地點建立測風(fēng)塔，其塔高應(yīng)達(dá)到風(fēng)電機組輪轂高度，在塔頂端安裝測風(fēng)儀傳感器連續(xù)測風(fēng)一年。然后按照《風(fēng)能資源評估方法》對測風(fēng)數(shù)據(jù)驗證修正，得出代表年風(fēng)速資料，再按照風(fēng)電機組的功率曲線來估算其理論年發(fā)電量，計算方法為統(tǒng)計測風(fēng)塔輪轂高度各風(fēng)速段的小時數(shù)，與該風(fēng)速對應(yīng)的功率求積即為該風(fēng)速段總的發(fā)電量，其他風(fēng)速段依次類推，最后求和即為該機組理論年發(fā)電量(不含其他折減因素)。

用該種方法估算發(fā)電量時，在復(fù)雜地形情況下應(yīng)每3 臺風(fēng)電機組安裝一套測風(fēng)系統(tǒng)，甚至每臺風(fēng)電機組位置安裝一套測風(fēng)系統(tǒng)，地形相對簡單的場址可以適當(dāng)放寬。在測風(fēng)時應(yīng)把風(fēng)速儀安裝在塔頂，避免塔影(風(fēng)吹過塔架后的尾流影響)，如果風(fēng)速儀安裝在塔架的側(cè)面，應(yīng)該考慮盛行風(fēng)向和儀器與塔架的距離，以降低塔架的影響。

2. 計算機模型估算法

目前國內(nèi)外用于風(fēng)電場風(fēng)能資源分布評估和發(fā)電量計算軟件較多，國外主要有WAsP，WindFarmer，WindPro，WindSim，Meteodyn等軟件，國內(nèi)有木聯(lián)能CFD風(fēng)電工程軟件等。

利用WAsP 或其他軟件，按照它的格式要求輸入風(fēng)電場某測風(fēng)點經(jīng)過驗證和訂正后的測風(fēng)資料、測風(fēng)點周圍的數(shù)字化地形圖、地表粗糙度及障礙物資料，就可以估算風(fēng)電場中各臺風(fēng)電機組的理論年發(fā)電量。這種方法的優(yōu)點是要求的測風(fēng)資料少，成本低，在簡單地形場址條件下結(jié)果比較可靠，是風(fēng)能工作者的重要工具。

另外，還有用于計算風(fēng)電場風(fēng)電機組的荷載狀況的WAsP Engineering軟件可以應(yīng)用。

3. 上網(wǎng)電量估算

利用發(fā)電量計算軟件計算風(fēng)電場年理論發(fā)電量、尾流損失、尾流折減后的發(fā)電量，除此之外，需要作以下幾方面修正才能估算出風(fēng)電場的年上網(wǎng)電量。

(1)周邊風(fēng)電場的影響折減

考慮目前和將來風(fēng)電場對本風(fēng)電場的影響，造成發(fā)電量損失。

(2)空氣密度修正

由于風(fēng)功率密度與空氣密度成正比，在相同的風(fēng)速條件下，空氣密度不同則風(fēng)電機組出力不一樣，風(fēng)電場年上網(wǎng)發(fā)電量估算應(yīng)進行空氣密度修正。嚴(yán)格來講，進行空氣密度修正時，應(yīng)要求生產(chǎn)廠家根據(jù)當(dāng)?shù)乜諝饷芏忍峁┕β是€，然后按照這條功率曲線進行發(fā)電量估算。

(3)控制和湍流折減

這里的控制是指風(fēng)電機組隨風(fēng)速、風(fēng)向的變化控制機組的狀態(tài)，實際情況是運行中的機組控制總是落后于風(fēng)的變化，造成發(fā)電量損失。主要有以下幾個方面：①風(fēng)電機組的切入和切出。風(fēng)電機組啟動時的切入滯后會造成一部分發(fā)電量的損失，由于風(fēng)速較小，這部分損失比較小，風(fēng)電機組在切出之后(如風(fēng)速25m/s)等風(fēng)速下降到某一風(fēng)速(如18m/s)方可再切入造成部分電量損失，如果大風(fēng)持續(xù)時間較長，這部分電量損失較大。②風(fēng)向的變化，由于風(fēng)向變化，偏航系統(tǒng)由于滯后而造成發(fā)電量損失，如果風(fēng)向變化頻繁，這部分損失會較大。

風(fēng)電場控制和湍流強度系數(shù)大，相應(yīng)的控制和湍流折減系數(shù)也大，一般情況下控制和湍流折減系數(shù)取5%左右。

(4)葉片污染折減

葉片表層污染使葉片表面粗糙度提高，翼型的氣動特性下降，從而使發(fā)電量下降。發(fā)電量估算時應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場的實際情況估計風(fēng)電場葉片污染系數(shù)，一般為2%左右。

(5)風(fēng)電機組可利用率

風(fēng)電機組因故障、檢修以及電網(wǎng)停電等因素不能發(fā)電，考慮目前風(fēng)電機組的制造水平及風(fēng)電場運行、管理以及維修經(jīng)驗，風(fēng)電機組的可利用率折減系數(shù)約為5%。

(6)功率曲線折減

機組廠家對風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線的保證率一般為95%，因此，風(fēng)力發(fā)電機組功率曲線折減系數(shù)取5%。

(7)廠用電、線損等能量損耗

風(fēng)電場估算上網(wǎng)發(fā)電量時應(yīng)考慮風(fēng)電場箱式變電所、電纜、升壓變壓器和輸出線路的損耗以及風(fēng)電場廠用電。根據(jù)已建風(fēng)電場經(jīng)驗，該部分折減系數(shù)為3%～5%，可視風(fēng)電場的具體情況計算確定，可以通過計算獲得。

(8)氣候影響停機

氣候影響停機包括低溫、雷暴、冰雹、沙塵暴等惡劣天氣對風(fēng)電場電量造成的損失，氣候影響停機折減系數(shù)視風(fēng)電場現(xiàn)場實際情況而定，一般在5%左右。

(9)上網(wǎng)電量

理論發(fā)電量經(jīng)過上述折減后，即為估算的理論上網(wǎng)電量。

(選自《風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場工程》楊校生主編出版社：化學(xué)工業(yè)出版社 )