山地風電場微觀選址造成風電機組發(fā)電量偏低問題及移位改造情況研究

摘要：復雜地形條件下的風電工程，微觀選址工作面臨很多困難。特別是在地形數(shù)據精度不高、微觀選址軟件選擇不正確和微觀選址人員經驗不足的情況下，經常造成個別風電機組的實際發(fā)電能力嚴重低于設計值。本文用一個具體案例分析了微觀選址方面存在的問題，提出了利用冗余機位，對發(fā)電量偏低的風電機組進行移位改造的選址測算方法，通過對改造后的實際運行效果進行比對分析，證明該方法簡單有效。關鍵詞：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。風電場一期工程2004年6月開展測風工作，2007年核準開工建設，裝機容量49.5MW，安裝33臺FD-70B/1500型風力發(fā)電機組，2008年首臺機組發(fā)電，2009年9月全部機組并網發(fā)電。圖1：山地風電場地形位置圖自投運以來#20風電機組的年發(fā)電量只有210萬kWh，僅為微觀選址的理論發(fā)電量的65.9%，相當于風電場單機年平均發(fā)電量的66%左右，嚴重偏離設計值，且故障率相對較高（處于山坡邊緣，風速不穩(wěn)定、湍流強度大）。為提升該風電機組的發(fā)電能力，改善其運行環(huán)境，于2012年對其進行了移位改造。二、問題及原因分析根據風電場微觀選址報告，風電場主導風向為西風，風電場微觀選址布機情況如圖2所示，由圖可見#20風機處于主風向山脈東側，且海拔高度低于西側山脈70多米，前后兩排最近距離只有600米，造成該位置風速明顯小于設計風速，且風電機中心位置距山坡邊緣約30米，山谷深度約85米，坡度約65度，實際運行后風速極不穩(wěn)定，造成了該機組故障較多。#20機組年實際運行對比情況如表1所示。圖2：風電場風電機組實際布置圖表1：#20風電機組與全場機組年平均值情況對比項目風速（m/s）發(fā)電量(MWh)理論值實際值占比（%）理論值實際值占比（%）#20風機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)據可見，無論風速還是發(fā)電量，#20風電機組都與風電場平均值偏差較大。該風電機組年可利用率93.2%，低于全風電場年可利用率97.8%的水平?？紤]剔除該風電機組可利用率不同的影響，這里將該機組的年可利用率按風電場平均值進行修正，修正后的年發(fā)電量2240MWh，與風電場平均發(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）當時的微觀選址軟件處理復雜地形能力不足。當時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，處理山地風電場湍流問題存在一定困難，特別是應對一些復雜地形更顯不足。（二）地形圖數(shù)據精度不高當時用的是1：10000的數(shù)字地形圖，由于精度不高，不能充分反映現(xiàn)場地形的復雜狀況。（三）設計選址人員經驗不足選址人員沒有充分考慮#20機位處于地勢變化較大的山谷邊緣，造成該機位湍流強度大，風速不穩(wěn)定。同時也沒有避開主風向前方山峰的遮擋。（四）測風數(shù)據代表性不強測風塔的位置不在風電場區(qū)域內，測風塔的高度只有50米小于輪轂高度65米，測風塔的位置海拔較低。三、方案設計依據風電場微觀選址報告，當時初步選擇時有44機位，首先從中選定了三個備選機位，位置情況如圖3所示。三個備選機位的微觀選址情況如表2所示，三個備選機位中，備選一，平臺狹小，離附近機位距離近，地勢陡峭，且處于主風向下方；備選二，離周圍風機距離較近，他的尾流對其后方3臺的機組影響較大；備選三，地形平坦，平臺面積大，地形與附近機組相似，且只會對其后面1臺機組造成尾流影響。圖3：備選機位位置圖表2：備選機位與臨近機組微觀選址情況風機號X坐標Y坐標高程風速年凈發(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利用風電場兩年實際運行數(shù)據，對選定的三個備選機位，利用其附近機位發(fā)電量數(shù)據進行了比對分析如表3所示。表3：備選機位年理論發(fā)電量情況對比分析表項目微觀選址情況備選機位附近機組情況理論發(fā)電量（MWh）風速（m/s)發(fā)電量(MWh)機位號風速（m/s）發(fā)電量（MWh）理論實際理論實際備選一8.395172#108.696.95565832352809備選二8.015146#258.526.93544332112884備選三7.915170#338.116.81527531202905表中，理論計算發(fā)電量由式（1）計算得出，通過計算結果比對，并根據現(xiàn)場地形情況，最終，確認將#20風電機組移位至#33風機附近的備選三號機位。安裝于新機位的#20風電機組年發(fā)電量290萬kWh，風電機移位后比原機位每年多發(fā)電78萬kWh，發(fā)電能力提升了36.8%。

（1）式中，W-新機位年理論發(fā)電量，k-修正系數(shù)（考慮機組性能差異、風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-臨近機位年實際發(fā)電量，Wb-備選機位微觀選址年理論發(fā)電量，Wl-臨近機位微觀選址年理論發(fā)電量。本計算式，是基于“兩個臨近機位同型機組的實際電量與理論電量之比相等”這樣一個經驗判斷，在實際運用時，要關注相鄰機位間風資源的相關性，相關性較高時，偏差應在可接受的范圍內。由于當初項目已經多征用了11個機位的土地，集電線路設計也存在冗余，三個備選機位在道路、風機及箱變基礎、機組拆除和安裝、集電線路等方面施工條件相近，施工費用近似相同，所以在點位選擇時僅考慮發(fā)電量最優(yōu)方案即可。四、實施過程對#20風電機組進行了移位改造。主要工作包括，新建一段道路、一個風電機組和機組變壓器基礎，風電機組的拆除和重新安裝，電纜、光纜的敷設。工期2個月，改造費用合計136萬元。五、改造效果項目實施后效果明顯。通過改造后6年的數(shù)據分析，年平均風速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，累計增收278萬元。該機位風速穩(wěn)定，每年可利用率都在95%以上，平均年可利用率97.4%，風電機故障停機次數(shù)減少60%。移位后，原#20機位附近的#19風電機組發(fā)電量也得到了一定提升。六、總結這次移位改造實際運行情況和改造方案的理論計算十分接近，主要原因一是熟悉現(xiàn)場的風資源及地形狀況，掌握了第一手資料；二是上述的比對計算法雖然簡單，確消除了風資源、地形等因素的影響，將不同位置風機發(fā)電量與風速的非線性關系轉化為發(fā)電量與臨近風機發(fā)電量的線性關系。由于微觀選址工作至關重要，直接關系到風電項目收益，必須高度重視，尤其是復雜地形的情形。要選用合適的選址工具軟件，具備CFD功能，能夠很好的處理復雜地形；高精度的地形圖，地勢平坦1：1000，地形陡峭復雜1：500；具有代表性