風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型和布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型和布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

0風(fēng)力資源的優(yōu)化設(shè)計(jì)屋頂能源發(fā)電作為一種主要的可利用能源能源模型，應(yīng)用于中國內(nèi)陸和沿海地區(qū)，對(duì)能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。尤其是在沿海地區(qū)風(fēng)力資源豐富,電力負(fù)載巨大,其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)尤為突出。在風(fēng)電場的設(shè)計(jì)過程中,是否能合理布置風(fēng)電機(jī)組的機(jī)位和選擇風(fēng)機(jī)型式,都直接影響到風(fēng)電場風(fēng)能利用率和建設(shè)投資成本,尤其是在地形變化較大、氣流變化復(fù)雜的條件下,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)有關(guān)地形條件、風(fēng)力氣象條件以及不同廠家生產(chǎn)的各類型號(hào)的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程多是由設(shè)計(jì)人員利用適當(dāng)?shù)能浖Y(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)完成。在國外,丹麥、英國、美國等國家開發(fā)相關(guān)設(shè)計(jì)軟件的歷史較早,使用廣泛、影響力較大,如:丹麥RISO國家研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的RisoWAsP(windatlasanalysisandapplicationprogram)風(fēng)圖譜分析和應(yīng)用軟件,使用的國家超過100個(gè),可考慮不同地形表面的影響及障礙物引起的屏蔽因素,通過對(duì)風(fēng)的變化情況的修正正確選擇風(fēng)電場場址,并且可以與其他軟件配套使用。該軟件已經(jīng)成為基于PC的風(fēng)力資源評(píng)估軟件的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)科研院所、高校開發(fā)的相關(guān)軟件由于缺少權(quán)威機(jī)構(gòu)的評(píng)估、認(rèn)證以及實(shí)際工程的檢驗(yàn),影響力有限。本文基于山東膠南子羅49.5MW風(fēng)電場工程實(shí)例,應(yīng)用WAsP軟件分析了風(fēng)電機(jī)型選擇及機(jī)位布置方法,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。1風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)布置方案宏觀選址是在一個(gè)較大的地區(qū)內(nèi)選擇風(fēng)能利用效率較高的小區(qū)域,確定項(xiàng)目的擬建規(guī)模及建設(shè)地點(diǎn),可以作為可行性研究的微觀選址依據(jù)。微觀選址需要對(duì)風(fēng)力資源、用戶需求、地理?xiàng)l件等多種因素進(jìn)行綜合分析,使風(fēng)電場發(fā)電量最大化。微觀選址可分為可研階段和施工圖階段?？裳须A段的側(cè)重于發(fā)電量和尾流控制是否合適,風(fēng)機(jī)位置需滿足業(yè)主報(bào)批國土環(huán)評(píng)礦物等部門的條件。施工圖階段側(cè)重于是否滿足當(dāng)?shù)夭块T規(guī)劃要求,勘測(cè)施工是否可以實(shí)現(xiàn),兼顧運(yùn)輸和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸要求以及發(fā)電量、尾流。在不同地區(qū)風(fēng)機(jī)選址存在較大差異,對(duì)于平坦地形(如內(nèi)蒙古通遼地區(qū))僅考慮按垂直主方向梅花狀布置風(fēng)機(jī),保證風(fēng)機(jī)間距;對(duì)于復(fù)雜地形(如山東沿海地區(qū))還需考慮風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸和道路的成本等情況。一般情況下布置風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)要充分考慮以下幾點(diǎn):(1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組垂直于主導(dǎo)風(fēng)能方向排列;(2)充分利用風(fēng)電場的土地;(3)盡量減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)組之間的相互影響、滿足風(fēng)電機(jī)組之間行、列距的要求,在主導(dǎo)風(fēng)向上要求機(jī)組間隔(行距)5~9倍風(fēng)輪直徑;(4)考慮風(fēng)電機(jī)組之間的相互影響后盡量縮短機(jī)組之間的距離,從而減少集電線路的長度;2風(fēng)機(jī)容量的選擇在風(fēng)電場場地平坦程度、運(yùn)輸、安裝等條件允許的前提下,可選擇單機(jī)容量大的機(jī)組,這樣可以充分利用土地資源和風(fēng)力資源,提高工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)?shù)匦屋^為復(fù)雜時(shí),則要綜合考慮運(yùn)輸、安裝等成本后選擇單機(jī)容量。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量多為600~3000kW。其中,600kW機(jī)組雖然技術(shù)較成熟,但是由于單機(jī)容量小,國內(nèi)較少采用。750kW機(jī)組由于具有技術(shù)成熟、運(yùn)營業(yè)績良好、運(yùn)輸安裝要求不高等優(yōu)點(diǎn),所以在運(yùn)輸條件不好的場所推薦選擇。1000~2000kW機(jī)組容量較大,技術(shù)成熟,適合場地平坦的風(fēng)電場。此外,3000kW及其以上容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)也逐漸得到廣泛的使用,多應(yīng)用于風(fēng)資源較好的海上風(fēng)電,可以在有限的區(qū)域內(nèi)最大限度的利用風(fēng)資源,使單個(gè)風(fēng)機(jī)獲得最大出力,但是該機(jī)型葉片較長,對(duì)于安裝場地、設(shè)備運(yùn)輸及吊裝有較高要求。3風(fēng)場機(jī)的選擇和配置案例的分析3.1風(fēng)電機(jī)組優(yōu)選方案膠南市處山東半島西南隅,膠州灣畔,屬北溫帶季風(fēng)氣候區(qū),主風(fēng)向和主風(fēng)能方向分別為S、NNE,根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評(píng)估方法》風(fēng)功率密度等級(jí)表中參考值判斷,該風(fēng)電場風(fēng)能資源達(dá)到2級(jí)標(biāo)準(zhǔn),具有一定的開發(fā)前景。當(dāng)?shù)仉娫垂╇娔芰ο鄬?duì)不足,擬建中的膠南子羅風(fēng)電場工程總裝機(jī)容量為49.5MW,年最大發(fā)電量約為8978萬kWh。本工程應(yīng)用WAsP軟件進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組優(yōu)選分析,其工作流程主要包括:一是依據(jù)輸入的實(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)生成風(fēng)圖譜,得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的風(fēng)速概率分布;二是在風(fēng)圖譜的基礎(chǔ)上分析風(fēng)場中平均風(fēng)速、平均風(fēng)功率密度等風(fēng)況特征。3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)12000kw本工程中發(fā)風(fēng)電場屬于低風(fēng)速區(qū)域,地貌成因類型為剝蝕丘陵,地貌類型為低丘,地形起伏較大。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地勘察,從葉片運(yùn)輸、場地平整及風(fēng)機(jī)吊裝等環(huán)節(jié)考慮,宜采用1000~2000kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在本工程中選擇了七個(gè)廠家的不同型號(hào)的7種風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行比較。通過對(duì)七種機(jī)型的功率曲線比較圖的分析選出合適的風(fēng)電機(jī)組。3.3風(fēng)機(jī)選型選型方案綜合考慮風(fēng)電場地形和氣象資料,利用WAsP軟件繪制風(fēng)電場70m高、80m高風(fēng)能資源分布圖,如圖2所示。本風(fēng)電場主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾,次風(fēng)向?yàn)镾SE,主風(fēng)能方向?yàn)镹NE、次風(fēng)能方向NNW,風(fēng)電場主風(fēng)能方向較集中,對(duì)風(fēng)機(jī)布置較為有利。風(fēng)機(jī)盡量布置在風(fēng)能資源高、運(yùn)輸方便、較為平整的地方,并將尾流控制在較低的范圍,選出合適風(fēng)機(jī)點(diǎn)位33臺(tái),具體分布如圖3所示。風(fēng)電場受山坡風(fēng)或溝谷風(fēng)等地面風(fēng)影響較大,因此在下階段微觀選址時(shí)需對(duì)部分風(fēng)機(jī)進(jìn)行測(cè)風(fēng)試驗(yàn),進(jìn)一步確定風(fēng)機(jī)機(jī)位。考慮到所規(guī)劃風(fēng)場區(qū)域需布置100MW的規(guī)劃容量,盡量選用單機(jī)容量較大的風(fēng)電機(jī)組,因此淘汰WTG1機(jī)型。對(duì)于2MW風(fēng)機(jī)布置方案從33個(gè)機(jī)位中選出最優(yōu)的24個(gè)機(jī)位,再對(duì)其余六種機(jī)型進(jìn)行比較。3.4風(fēng)力機(jī)機(jī)組選型對(duì)比風(fēng)電場發(fā)電量計(jì)算是在機(jī)組機(jī)位布置方案確定的基礎(chǔ)上,考慮機(jī)組特性、氣象條件等影響因素,通過WAsP軟件計(jì)算得出,結(jié)果詳見表1。除了根據(jù)發(fā)電量高低與施工條件選擇適合風(fēng)電場的機(jī)型外,還要考慮風(fēng)電機(jī)組的綜合性能價(jià)格比。發(fā)電成本高低是本工程項(xiàng)目能否贏利的關(guān)鍵。根據(jù)各風(fēng)機(jī)廠家提供的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)價(jià)格,計(jì)算各機(jī)型單機(jī)性能價(jià)格比,以每萬kWh電量風(fēng)電機(jī)組單機(jī)價(jià)格進(jìn)行比較,得到表2各種機(jī)型單機(jī)性能價(jià)格比:通過上述比較,WTG5在等效滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)上有優(yōu)勢(shì);WTG6機(jī)型次之;其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年上網(wǎng)發(fā)電量在參與比較的6種機(jī)型中較小。WTG2、WTG3和WGT4輪轂高度均為70m高,其配套工程造價(jià)區(qū)別不大,可通過單機(jī)性能價(jià)格比對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行比選,通過表2可以看出,在性價(jià)比方面,WTG4機(jī)型最具優(yōu)勢(shì),WTG3次之。而WTG5輪轂高度為80m,其配套工程如塔筒、基礎(chǔ)等工程量增加,需進(jìn)行工程造價(jià)比較。WTG6和WTG7均為2MW風(fēng)機(jī),但WTG6在性價(jià)比上優(yōu)于WTG7,因此將WGT4、WGT5和WGT6進(jìn)行工程造價(jià)比較。由表3看出,在工程造價(jià)比較方面,WTG5機(jī)型最具優(yōu)勢(shì),WTG4機(jī)型稍次之,WTG6造價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)最高。本期工程中推薦安裝WTG5型風(fēng)機(jī),建議安裝高度為80m,其年上網(wǎng)發(fā)電量為89.78GW·h,年單機(jī)等效滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)為1814h,平均容量系數(shù)為0.2070。4基于sap軟件的風(fēng)機(jī)機(jī)組選型優(yōu)化分析本