山地風(fēng)電場微觀選址造成風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量偏低問題及移位改造情況研究

摘要：復(fù)雜地形條件下的風(fēng)電工程，微觀選址工作面臨很多困難。特別是在地形數(shù)據(jù)精度不高、微觀選址軟件選擇不正確和微觀選址人員經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，經(jīng)常造成個(gè)別風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際發(fā)電能力嚴(yán)重低于設(shè)計(jì)值。本文用一個(gè)具體案例分析了微觀選址方面存在的問題，提出了利用冗余機(jī)位，對發(fā)電量偏低的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行移位改造的選址測算方法，通過對改造后的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行比對分析，證明該方法簡單有效。關(guān)鍵詞：微觀選址；發(fā)電量；移位改造一、概況黑龍江省某山地風(fēng)電場，圖1所示，地形起伏較大，地面高程為170m~357m的低山丘陵。風(fēng)電場一期工程2004年6月開展測風(fēng)工作，2007年核準(zhǔn)開工建設(shè)，裝機(jī)容量49.5MW，安裝33臺(tái)FD-70B/1500型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，2008年首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2009年9月全部機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。圖1：山地風(fēng)電場地形位置圖自投運(yùn)以來#20風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量只有210萬kWh，僅為微觀選址的理論發(fā)電量的65.9%，相當(dāng)于風(fēng)電場單機(jī)年平均發(fā)電量的66%左右，嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值，且故障率相對較高（處于山坡邊緣，風(fēng)速不穩(wěn)定、湍流強(qiáng)度大）。為提升該風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力，改善其運(yùn)行環(huán)境，于2012年對其進(jìn)行了移位改造。二、問題及原因分析根據(jù)風(fēng)電場微觀選址報(bào)告，風(fēng)電場主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)，風(fēng)電場微觀選址布機(jī)情況如圖2所示，由圖可見#20風(fēng)機(jī)處于主風(fēng)向山脈東側(cè)，且海拔高度低于西側(cè)山脈70多米，前后兩排最近距離只有600米，造成該位置風(fēng)速明顯小于設(shè)計(jì)風(fēng)速，且風(fēng)電機(jī)中心位置距山坡邊緣約30米，山谷深度約85米，坡度約65度，實(shí)際運(yùn)行后風(fēng)速極不穩(wěn)定，造成了該機(jī)組故障較多。#20機(jī)組年實(shí)際運(yùn)行對比情況如表1所示。圖2：風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組實(shí)際布置圖表1：#20風(fēng)電機(jī)組與全場機(jī)組年平均值情況對比項(xiàng)目風(fēng)速（m/s）發(fā)電量(MWh)理論值實(shí)際值占比（%）理論值實(shí)際值占比（%）#20風(fēng)機(jī)8.356.375.455209212040.70全場平均8.747.181.245735319155.64相對值（%）95.5488.7390.8366.44剔除可利用率差異后相對值（%）95.5488.7390.8370.2%由表中數(shù)據(jù)可見，無論風(fēng)速還是發(fā)電量，#20風(fēng)電機(jī)組都與風(fēng)電場平均值偏差較大。該風(fēng)電機(jī)組年可利用率93.2%，低于全風(fēng)電場年可利用率97.8%的水平。考慮剔除該風(fēng)電機(jī)組可利用率不同的影響，這里將該機(jī)組的年可利用率按風(fēng)電場平均值進(jìn)行修正，修正后的年發(fā)電量2240MWh，與風(fēng)電場平均發(fā)電量的相對值為70.2%。主要原因是微觀選址等方面存在問題，具體如下：（一）當(dāng)時(shí)的微觀選址軟件處理復(fù)雜地形能力不足。當(dāng)時(shí)采用的微觀選址軟件為WASP，軟件地形模型算法簡單，沒有CFD功能，處理山地風(fēng)電場湍流問題存在一定困難，特別是應(yīng)對一些復(fù)雜地形更顯不足。（二）地形圖數(shù)據(jù)精度不高當(dāng)時(shí)用的是1：10000的數(shù)字地形圖，由于精度不高，不能充分反映現(xiàn)場地形的復(fù)雜狀況。（三）設(shè)計(jì)選址人員經(jīng)驗(yàn)不足選址人員沒有充分考慮#20機(jī)位處于地勢變化較大的山谷邊緣，造成該機(jī)位湍流強(qiáng)度大，風(fēng)速不穩(wěn)定。同時(shí)也沒有避開主風(fēng)向前方山峰的遮擋。（四）測風(fēng)數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)測風(fēng)塔的位置不在風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)，測風(fēng)塔的高度只有50米小于輪轂高度65米，測風(fēng)塔的位置海拔較低。三、方案設(shè)計(jì)依據(jù)風(fēng)電場微觀選址報(bào)告，當(dāng)時(shí)初步選擇時(shí)有44機(jī)位，首先從中選定了三個(gè)備選機(jī)位，位置情況如圖3所示。三個(gè)備選機(jī)位的微觀選址情況如表2所示，三個(gè)備選機(jī)位中，備選一，平臺(tái)狹小，離附近機(jī)位距離近，地勢陡峭，且處于主風(fēng)向下方；備選二，離周圍風(fēng)機(jī)距離較近，他的尾流對其后方3臺(tái)的機(jī)組影響較大；備選三，地形平坦，平臺(tái)面積大，地形與附近機(jī)組相似，且只會(huì)對其后面1臺(tái)機(jī)組造成尾流影響。圖3：備選機(jī)位位置圖表2：備選機(jī)位與臨近機(jī)組微觀選址情況風(fēng)機(jī)號(hào)X坐標(biāo)Y坐標(biāo)高程風(fēng)速年凈發(fā)電量損失[%]10555337.251240442708.695.6583備選一555622.151241392758.395.1729.0811555425.851242823059.486.2763.2122556110.251257053059.326.1711.8123556144.251259873189.386.1443.75備選二555668.951260972838.015.1463.472555612051261663258.526.0675.3633555882.951288182258.115.2752.65備選三555563.351289642157.915.171.29利用風(fēng)電場兩年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對選定的三個(gè)備選機(jī)位，利用其附近機(jī)位發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對分析如表3所示。表3：備選機(jī)位年理論發(fā)電量情況對比分析表項(xiàng)目微觀選址情況備選機(jī)位附近機(jī)組情況理論發(fā)電量（MWh）風(fēng)速（m/s)發(fā)電量(MWh)機(jī)位號(hào)風(fēng)速（m/s）發(fā)電量（MWh）理論實(shí)際理論實(shí)際備選一8.395172#108.696.95565832352809備選二8.015146#258.526.93544332112884備選三7.915170#338.116.81527531202905表中，理論計(jì)算發(fā)電量由式（1）計(jì)算得出，通過計(jì)算結(jié)果比對，并根據(jù)現(xiàn)場地形情況，最終，確認(rèn)將#20風(fēng)電機(jī)組移位至#33風(fēng)機(jī)附近的備選三號(hào)機(jī)位。安裝于新機(jī)位的#20風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量290萬kWh，風(fēng)電機(jī)移位后比原機(jī)位每年多發(fā)電78萬kWh，發(fā)電能力提升了36.8%。

（1）式中，W-新機(jī)位年理論發(fā)電量，k-修正系數(shù)（考慮機(jī)組性能差異、風(fēng)資源水平年差異因素影響修正值，建議取值范圍0.9-1.0，本例中選取0.95），Ws-臨近機(jī)位年實(shí)際發(fā)電量，Wb-備選機(jī)位微觀選址年理論發(fā)電量，Wl-臨近機(jī)位微觀選址年理論發(fā)電量。本計(jì)算式，是基于“兩個(gè)臨近機(jī)位同型機(jī)組的實(shí)際電量與理論電量之比相等”這樣一個(gè)經(jīng)驗(yàn)判斷，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，要關(guān)注相鄰機(jī)位間風(fēng)資源的相關(guān)性，相關(guān)性較高時(shí)，偏差應(yīng)在可接受的范圍內(nèi)。由于當(dāng)初項(xiàng)目已經(jīng)多征用了11個(gè)機(jī)位的土地，集電線路設(shè)計(jì)也存在冗余，三個(gè)備選機(jī)位在道路、風(fēng)機(jī)及箱變基礎(chǔ)、機(jī)組拆除和安裝、集電線路等方面施工條件相近，施工費(fèi)用近似相同，所以在點(diǎn)位選擇時(shí)僅考慮發(fā)電量最優(yōu)方案即可。四、實(shí)施過程對#20風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了移位改造。主要工作包括，新建一段道路、一個(gè)風(fēng)電機(jī)組和機(jī)組變壓器基礎(chǔ)，風(fēng)電機(jī)組的拆除和重新安裝，電纜、光纜的敷設(shè)。工期2個(gè)月，改造費(fèi)用合計(jì)136萬元。五、改造效果項(xiàng)目實(shí)施后效果明顯。通過改造后6年的數(shù)據(jù)分析，年平均風(fēng)速6.72m/s，年平均發(fā)電量288萬kWh，年增加發(fā)電量76萬kWh,年增加收入46萬元，累計(jì)增收278萬元。該機(jī)位風(fēng)速穩(wěn)定，每年可利用率都在95%以上，平均年可利用率97.4%，風(fēng)電機(jī)故障停機(jī)次數(shù)減少60%。移位后，原#20機(jī)位附近的#19風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量也得到了一定提升。六、總結(jié)這次移位改造實(shí)際運(yùn)行情況和改造方案的理論計(jì)算十分接近，主要原因一是熟悉現(xiàn)場的風(fēng)資源及地形狀況，掌握了第一手資料；二是上述的比對計(jì)算法雖然簡單，確消除了風(fēng)資源、地形等因素的影響，將不同位置風(fēng)機(jī)發(fā)電量與風(fēng)速的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為發(fā)電量與臨近風(fēng)機(jī)發(fā)電量的線性關(guān)系。由于微觀選址工作至關(guān)重要，直接關(guān)系到風(fēng)電項(xiàng)目收益，必須高度重視，尤其是復(fù)雜地形的情形。要選用合適的選址工具軟件，具備CFD功能，能夠很好的處理復(fù)雜地形；高精度的地形圖，地勢平坦1：1000，地形陡峭復(fù)雜1：500；具有代表性