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風電場資源勘查及微觀選址
2021-08-25 來源:掌上風電
 風電場選址是風電場建設項目的前期工作,對風電場建設成敗及風電場效益起重要作用。風電場微觀選址的設計工作涉及場區風能資源的利用、機組布置、集電系統布局、交通設施、占地規模,以及環境保護目標的實現等諸多方面,對于風電場的建設成本和電量生產、設備設施的安全可靠性和運行維護便利性等都將產生重要而廣泛的影響。
 
風電場微觀選址直接關系到機組壽命、部件損壞與機組后期維修維護成本的高低。
 
1、風電場微觀選址與機組安全
 
1.1  風電場微觀選址
 
風電場微觀選址是在宏觀選址選定的小區域中確定風電機組的分布位置,以便使整個風電場具有更好的經濟效益的過程。
 
場址選擇對風能利用的預期目標能否實現起著關鍵性的作用。如果場址選擇不合理,即使性能優異的風電機組也不能很好地發電,更有甚者,由于選址不正確,很可能導致設備的損壞[1]。因此,如何在風電場內合理地布置機組,才能得到最大的發電量,獲得最佳的經濟效益,一直是微觀選址工作的焦點[2]。
 
1.2 微觀選址與湍流強度
 
目前,微觀選址軟件大都以發電量最大化為原則進行機位布置,而機組位置還直接關系到該機位湍流強度大小。較強的湍流將會造成機組振動,使機組的受力狀態惡化,從而影響到機組的故障幾率及部件損壞,關系到將來的維修、維護成本的高低和機組的壽命,因此,風電場微觀選址對其未來收益的影響不容忽視。
 
為了最大限度地利用特定風電場的風能資源,同時保證機組安全可靠運行,IEC61400-1對風電機組進行了安全分級。輪轂高度處的湍流強度以及極端風況是2005年版IEC61400-1進行風電機組分類的兩個主要參數,其中極端風況主要包括極端風速、極端風切變以及風速、風向的迅速變化等,而機組輪轂高度處50年一遇3秒鐘極大風速,或者10分鐘最大風速是風電機組極端載荷設計的最重要參數。
 
按照微觀選址湍流大小選定機位,或確定所采用的機組安全等級類型。根據GL規范,或IEC標準,風電機組的湍流強度等級一般有A、B兩種,新的IEC版本中也有C等級的湍流強度等級[3]。
 
在IEC 61400中將風電場機組的設計等級分為三類IECⅠ、IECⅡ、IECⅢ。如表1所示。
 
 
 
如果設計者或者顧客需要一個特定的(例如:特定風況、特定外部條件或一個特定安全等級)WTGS等級,這個等級定為S級。S級WTGS的設計值由設計者或顧客選取,并在設計文件中詳細說明。對于這樣的特定設計,選取的設計值所反應的環境條件要比預期的風力機使用環境更為惡劣。等級中Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ,這些條件既不包括海上條件,也不包括熱帶風暴中的風況,如颶風,龍卷風和臺風。這些條件要求WTGS按S級設計。
 
IEC61400-1按10分鐘內平均風速為15m/s時計算出來的湍流強度特征值,把湍流強度分為:A、B、C三個等級。A 級高湍流強度,湍流強度大小為0.16;B 級中等湍流強度,其值為0.14;C 級低等湍流強度,其值為0.12。
 
根據IEC61400-1要求,每一個風速區間下,風電機組所承受的有效湍流強度(機組之間尾流產生的湍流強度與環境湍流強度疊加)均不能超過設計湍流強度。
 
湍流強度是風電場的重要特性指標,它的計算、分析是風電場資源評估的重要內容,通過風電場區域內風電機組輪轂高度處50年一遇10分鐘最大風速以及輪轂高度處湍流強度大小來判斷風電場的安全等級,依據此等級來選擇風電機組機型。
 
在中國風能資源主要分布在三北地區和近海區域,例如新疆、內蒙區域,平均風速較大,風電場安全等級通常為IECⅠ或IECⅡ,風電場湍流強度通常為B、C;山西、河北區域,因地形起伏較大,風電場安全等級通常為IECⅡ或IECⅢ,風電場湍流強度通常為A、B;江蘇、浙江沿海區域受季風的影響,風電場安全等級通常為IECⅠ或IECⅡ,風電場湍流強度通常為B、C[4]。
 
湍流對機組性能的不利影響主要是減少功率輸出,增加風電機組的疲勞載荷,最終削弱和破壞風電機組[5]。
 
為了減少葉片的脈動和破壞力較強的動態載荷,在湍流強度較大的地區,應慎建、或不建風電場,若風電場的湍流強度超過機組的安全設計等級時,在選機型時應與機組生產廠家充分交流,對設備的承受能力進行充分地論證和評估。
 
1.3  交變載荷與機組部件損壞
 
風電機組容易受到疲勞載荷的嚴重影響。在600KW機組中,葉輪在20年的壽命期內會旋轉2×108次。每旋轉一周,在低速軸上的受力與作用在葉片上的重力均會出現周期性變化。同時,在葉輪旋轉平面上,會因風剪切力、偏航誤差、軸傾斜、塔架陰影和湍流效應等產生循環變化的載荷。因此,許多機組部件的設計都取決于疲勞載荷而不是極限載荷[6]。
 
短期平均風速的波動或湍流對載荷設計產生主要的影響,因為,這是極端陣風載荷和大部分疲勞載荷的來源。葉輪轉動會不斷產生局部剪切陣風,使葉片的疲勞載荷加劇[6]。
 
由于機組運行在非常復雜和多變惡劣的環境下,所以,機組所承受的載荷情況也是非常復雜的,不同的載荷情況對于機組的各個部件的受力情況都有不同的影響,而確定載荷情況對于后續的設計來說是非常重要和基礎性的工作[2]。
 
不同的機位,因風況和環境條件不同,機組所受到的動態載荷差異很大。環境湍流強度是指風電場中某機組承受的正常湍流強度。該湍流強度沒有受其他機組或者障礙物的尾流影響。確定機組湍流強度等級不僅取決于環境湍流強度,更應考慮因為機組尾流產出的湍流強度。風電場中機組承受的有效湍流強度由環境湍流強度和因機組彼此之間尾流產生的湍流強度兩部分組成[7]。
 
不同設計湍流強度等級對等效疲勞載荷的影響相對來說要大很多,基本上降一個湍流強度等級,等效疲勞載荷就會相應的降低10%。湍流強度對等效疲勞載荷的影響非常大。另外,風輪直徑越大,降低湍流強度等級對降低等效疲勞載荷的作用越明顯[3]。因此,葉輪直徑和機組的設計湍流強度等級對機組交變載荷的承受能力影響很大。
 
為了使機組能長期安全穩定運行,我們在設計和制造時要重點考慮機組的抗疲勞載荷能力;在風電場微觀選址時,充分考慮風況和環境條件對機組的影響,以避免部件的損壞,延長風電機組的使用壽命。
 
2、微觀選址的主要影響因素
 
工作在自然環境狀態下的風電機組,由于湍流產生的機理和原因很復雜,對設備的影響也是多方面的。在風電場微觀選址時,通過對各種影響因素的綜合考慮,減少湍流強度對設備的影響和破壞,實現風電場的最優選址。
 
2.1 地面粗糙度的影響
 
在近地層中,風速隨高度有顯著變化,但由于地面粗糙度不同,風速隨高度的變化也就不同。大氣低層常用指數公式表示風速和高度與地面粗糙度的變化關系:
 
 
 
式中,Vh:為在高度Xh處的風速;V0:為在高度X0處的風速;α:為指數,它與地面粗糙度有關。我國常用的α值分為三類:0.12、0.16、0.20。按公式計算,見表2。
表2:不同粗糙度地形及各離地高度風速相對10米處的比值
 
 
 
2.2  障礙物的影響
由于氣流經過障礙物時,在其下游會形成擾動區。在擾動區風速不但會降低.而且還有強的湍流,對機組運行十分不利。因此,在選擇機組安裝位置時,必須要避開障礙物下流的擾動區,從理論上講,擾動區的長度約為17H(H為障礙物高度),所以,在選址時,要盡量避開障礙物,一般應在10H以上。
 
2.3  地形的影響
 
對于山地風電場,山地地形以及植被對風電機組所帶來的湍流影響很大。當氣流通過丘陵或山地時,由于受到地形阻礙的影響。在山的向風面下部,風速減弱。且有上升氣流;在山的頂部和兩側,風速加強;在山的背風面,風速減弱,且有下沉氣流,重力和慣性力將使山脊的背風面氣流往往成波狀流動。
 
山地對風速影響的水平距離,—般在向風面為山高的5~10倍,背風面為15倍。且山脊越高,坡度越緩,在背風面影響的距離越遠。
 
根據經驗,在背風面對風速影響的水平距離L大致是與山高h和山的坡度α半角的余切的乘積成比例,即:
 
 
 
封閉的谷地風速比平地小。長而平直的谷地,當風沿山谷而吹時,其風速比平地加強,即產生狹管效應,風速增大;但當風垂直谷地吹時,風速則較平地為小,類似封閉山谷。根據實際觀測,給出封閉谷地Y1和峽谷山口Y2與平地風速的關系式[8]:
 
 
Y1:封閉谷地風速;Y2:峽谷山口風速;x:平地風速。
2.4  周圍環境
 
風電場在其建設過程中會對周圍環境有所影響,因此,風電場的微觀選址把對周圍環境的影響也考慮進內,一方面,要對生態環境進行保護,比如飛禽的遷徙路線、鳥類飛行路線以及動物棲息地等,還要保證盡量不要占用耕地和植被等;另一方面,還要考慮噪聲的影響,根據相關規定要求風電場發電機組和最近的居民小區的距離的確定,其噪聲的大小不能超過45db [9]。
 
3 、如何進行風電場微觀選址
 
3.1  平坦地形的微觀選址
 
平坦地形可以定義為,在風電場區及周圍5km 半徑范圍內其地形高度差小于50m,同時地形最大坡度小于3?。實際上,對于周圍特別是場址的盛行風的上(來)風方向,沒有大的山丘或懸崖之類的地形,仍可作為平坦地形來處理。
 
在平坦地形進行微觀選址時,主要考慮以下兩個方面:
 
第一、粗糙度的影響
 
對平坦地形,在場址地區范圍內,同一高度上的風速分布可以看作是均勻的,可以直接使用鄰近氣象臺站的風速觀測資料來對場址區進行風能估算。對平坦地形,采用同一葉輪直徑的風電機組,提高風電機組功率輸出的唯一方法是增加塔架高度。
 
第二、障礙物的影響
 
障礙物是指針對某一地點存在的相對較大的物體,如房屋等。當氣流流過障礙物時,由于障礙物對氣流的阻礙和遮蔽作用,會改變氣流的流動方向和速度。障礙物和地形變化會影響地面粗糙度,風速的平均擾動及風輪廓線對風的結構都有很大的影響,但這種影響有可能是有利的(形成加速區),也有可能是不利的(產生尾流、風擾動)。所以,在選址時要充分考慮這些因素。
 
由于氣流通過障礙物時,在障礙物的下游會形成尾流擾動區,然后逐漸衰弱。在尾流區,不僅風速會降低,而且還會產生很強的湍流,對風電機組運行極為不利。因此,在設置機位時必須注意避開障礙物的尾流區[4]。
 
3.2  復雜地形的微觀選址
 
我國沿海及內陸存在著大量的山地。復雜山地的風流不僅是由大地形以及氣候引起的,更多的則受到局部地形的影響。對于簡單地形,大地形以及氣候是引起風流的主要起因;而對于復雜山地,局部地形對風流的加速、對風向的偏轉是造成風電場微觀選址的難題所在[10]。
 
在對復雜地形進行微觀選址時,風電機組間距的計算尚無成熟快捷、簡便的方法,通常需通過多次試算最終確定方案。
 
在復雜地形和氣候條件下,驅動風流的因素并不唯一,一個特殊的流動情況是:風速并不隨高程的上升而升高,在某一高度后,風速隨高程的上升而降低。微觀選址技術的標準不明確以及依據或依賴國外標準制造的風電設備與場址適應性問題,直接導致在復雜的地形和惡劣的氣候條件下微觀選址結果差異顯著.風電機組設備的運行可靠性不高,運行控制變得更加困難,實際出力也比預測評估的要低[10]。
 
對山區、山丘等復雜地形,不能按簡單平坦地形的原則確定風電機組位置,而應根據實際地形測算各點的風力情況后,經綜合考慮安裝、地形地質等各方面因素后,選擇合適的地點安裝風電機組。在地形復雜、地勢險峻的高山上選址還應考慮運輸、吊裝、線路安裝等要求[11]。
 
由于受復雜地形自身的影響較大,有的僅能在山脊位置進行單排布置;有的僅能在可放置風電機組的位置上布置;有的地方有山谷、山丘等地形組合,機組布置受多種因素的綜合影響[11]。
 
3.3 機組合理布局以避免尾流干擾
 
從充分利用風能資源的角度出發,找尋出符合風電場整體的能量利用最大化要求的排布方案,是完成風電場微觀選址工作首先要解決的問題。而影響風電場全場能量利用尋優的關鍵因素是認識并解決好機組尾流影響問題。
 
一般而言,當風經過風輪葉片后,風輪一方面會吸收部分風能,同時轉動的風輪又致使風的湍動能增大,產生氣流畸變、湍流,而風速會呈現突變減小的現象,這就是所謂的風電機組尾流效應。之后,在周圍流場的約束下,風速又會隨著風輪的距離漸遠而得以逐漸恢復。如果風電場內風電機組布置緊密,則可能出現上游機組后面風的尾流效應尚存,風速尚不及恢復,進而導致下游機組風況“惡化”,輸入風能不足,發電出力降低的情況[12]。
 
機組尾流產生的氣流畸變和湍流,會在下游機組的葉輪上產生交變載荷,從而造成葉片斷裂、主軸軸承、齒輪箱等部件的損壞,縮短機組的壽命。由于較高的尾流效應相應有較高的湍流強度,而在風電場全場范圍取得一個相對較小的平均尾流效應,又會有利于保持全場機組的荷載均衡性,進而有利于提高全場的運行維護效率[12]。
 
但是,風電場內又難以絕對避免尾流效應影響,因為如果機組布置過于稀疏,不但會相應占用過多土地,且風電場范圍會過大,其工程投資成本和運行維護費用亦會顯著增大。因此,機組間距的確定,或說是控制機組尾流效應,是一個考慮綜合因素平衡的技術經濟選擇過程[12]。
 
3.4  采用工程軟件進行微觀選址
 
目前,國內微觀選址通常采用國際上較為流行的風電場設計軟件WASP及WindFarmer進行風況建模,建模過程如下:
 
根據風電場各測風點校對、修正后的測風資料、地形圖、粗糙度,利用輪轂高度的風資源柵格文件滿足精度及高度要求的WindFarmer軟件的三個輸入文件,包括:輪轂高度的風資源柵格文件、測風高度的風資源柵格文件及測風高度的風資源風頻表文件。
 
采用關聯的方法在WindFarmer軟件中輸入WASP軟件形成的三個文件,輸入三維的數字化地形圖(1:10000或1:5000),地形復雜的山地風電場應采用1:5000地形圖,輸人風電場空氣密度下的風電機組功率曲線及推力曲線,設定風電機組的布置范圍及風電機組數量,設定粗糙度、湍流強度、風電機組最小間距、坡度、噪聲等,考慮風電場發電量的各種折減系數,采用修正PARK尾流模型進行風電機組優化排布。
 
根據優化后的坐標,利用GPS到現場踏勘定點,根據現場地形地貌條件和施工安裝條件進行機位的微調,并利用GPS測得新的坐標,然后將現場的定點坐標輸入Windfarmer中,采用粘性渦漩尾流模型對風電場每臺風電機組發電量及尾流損失進行精確計算[13]。
 
目前的微觀選址技術,主要是應用經驗和基于線性模型的工具軟件。各種軟件都有其適用條件及局限性,在使用過程中,應充分了解風電場狀況與軟件特性,以優化機位布置。
 
3.5  風電場選址的步驟
 
計算整個風電場的風能資源,找出風能資源較好的位置;根據具體的地形、道路情況確定適合布置風電機組的地形位置,要求坡度較緩(小于10°)、交通方便;在滿足上述條件的前提下確定不同間距的多種方案,間距在主風向上為5~9倍的機組直徑,在垂直主風向上為3~5倍的機組直徑;確定機組間距后在實際地形上布置風電機組,計算發電量及湍流強度、尾流損失等的影響;進行方案比較,選擇合理的風電機組間距布置風電機組[11]。
 
4 、風電場選址的難點
 
4.1  缺乏長期的測風資料和氣象數據
 
中國風電發展較晚,不少新建風電場地區的測風資料和氣象數據欠缺,甚至是一個空白,然而,風電場微觀選址需要獲得該地區多年積累的風況資料和氣象數據,這對于正確選址顯得尤為重要,如果沒有這些數據,選址就難有準確而科學的依據,可能為機組安全和部件損壞埋下了潛在的隱患和伏筆。
 
例如:云南地區,由于云南省風電開發起步較晚,山區普遍缺乏測風資料,這就成為了云南山區風電場選址的第一個難點[14]。
 
湍流強度是建風電場的重要指標,它對機組性能和壽命有直接影響。云南省氣象臺均無風速脈動觀測記錄,無法進行湍流強度計算。因此,在風電場選址時,湍流對風電機組運行可靠性的影響無法準確預測。由于缺乏高山區的冰凌、濃霧、大雪、雷暴、極端氣溫等災害的觀測資料,對風電機組未來運行條件的確定缺乏科學依據[14]。
 
由此可知,缺乏長期的氣象觀測資料,這成為了當今中國不少新建風電場、風電場選址的難題。
 
我國建風電場大部分地區是屬于人煙稀少的草原,或山地,在這些地區少有相關資料和氣象數據。當興建風電場時,則大都只能依據一年左右的測風塔數據,且所建測風塔的數量有限,測得的風況資料有限,而沒有長期、全面、準確的風況資料作為微觀選址的依據。
 
4.2  機位的實際有效湍流強度難以準確估算
 
現在,對于風電場每個機位湍流強度的計算大都依據測風塔數據,運用工程軟件對每個機位的湍流強度進行計算,然后對機位進行篩選。
 
在新建風電場對機位湍流強度進行估算時,不能準確得到每個機位的湍流強度。一方面,是由于在建風電場之前,機組還沒有建成,不能得到機組之間的相互干擾尾流真實的數據,因此,不可能獲得每個機位實際的風況數據;另一方面,在自然條件下,風況變化的復雜性、隨機性以及應用軟件的局限性,在運用軟件對每個機位的湍流強度進行計算時,永遠都會存在理論與實際的偏差。
 
因此,通過軟件進行風電場微觀選址,難以對每個機位的實際湍流強度大小做出準確評估。存在某些風電場機位的有效湍流強度,在大風速時超過IEC—A類標準,或機組的設計標準,從而影響機組安全及使用壽命,對于這種情況,有必要采取彌補措施對機組運行的經濟性及未來收益進行重新評估。
 
5 、機位湍流強度超標的處理辦法
 
避免機組因湍流度過大而造成部件損壞,延長機組壽命,一方面,在風電場新建階段需通過工程軟件對機組機位進行篩選和布置;另一方面,微觀選址不當的風電場運行機組,需要再次對運行機組的機位進行重新評估和優化。
 
當風電場微觀選址重新確定機位,或運營風電場的風電機組實際有效湍流強度超出其設計標準時,為了避免組部件的疲勞破壞和機組壽命的縮短,視具體機位的環境條件和評估情況,可采取以下措施:
 
(1) 將該位置換成湍流強度級別更高的機型;.
 
(2) 將該機組移到湍流強度小的位置;
 
(3) 調節該機組周圍,尤其是上風向風電機組的布置,拉大該機組與上風向機組之間的距離,使其盡可能少受其他機組尾流影響;
 
(4) 由于湍流強度受地面障礙物和地面粗糙度影響較大,塔筒高度增加,機組的有效湍流強度減小。因此,在項目經濟性、機位基礎和塔筒強度允許的條件下,適當增加塔筒的高度,把有效湍流強度調整在機組允許的范圍之內。
 
(5)在現場風況測定與機組性能評估的基礎上,根據風況條件有選擇性地運行,如:在湍流強度很大的時間段,機組停機;或者通過機組控制器程序設定限定機組運行方位,機組僅在湍流強度較小的方位運行,禁止機組偏航到湍流強度大的方位運行;
 
(6)調整風電場機組的運行模式,即當下風向風電機組受上風向風電機組尾流影響嚴重時,可以根據實際情況關停部分下風向的風電機組.這樣盡管犧牲了一部分發電量,但可使下風向機組避免了因尾流引起的有效湍流強度過大,從而可降低疲勞載荷,延長下風向機組的使用壽命。
 
6、結語:
 
在新建風電場時,重視風電機組的微觀選址,以減少風電機組的部件損壞,延長機組壽命。從國內風電場現實情況來看,不少風電場地處山地,因機位差別,風況差別很大。同一風電場,如果不同機位的風況條件超出了一種機型的承受能力,應當選用多種安全等級的機型與多種風況條件的機位相對應。
 
在風電場實際運行的機組中,如果發現有微觀選址不當的機位,應及時評估并采取措施,權衡利弊,從而使風電場取得較好的經濟效益。
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