基于风资源测评的化德风电场二期工程的风机选型初选规划

2014-03-17董颢霞王振岩张腾飞

河北建筑工程学院学报 2014年1期

董颢霞王振岩范培刘斌张腾飞

（河北建筑工程学院，河北张家口075000）

0 引言

大规模利用可再生能源，是世界各国发展的重要战略规划.经过多年的发展，我国可再生能源的开发利用已取得了很大进展.其中，发展最快的是风能.我国风能资源储量丰富，山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达板城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶.其中，内蒙古自治区北部地处蒙古高原，受蒙古冷高压的长期控制，全区风能占全国风力资源量的39.9%，成为了我国风能开发的前沿阵地.位于内蒙古化德县内的华能国际化德大地泰泓风电场，地处蒙古高原，已建一期工程，装设风力发电机组49.5MW，建设1台100MVA主变压器，220kV出线1回，采用线路－变压器组接线，接入兴广220kV变电站.35kV出线4回，采用单母线接线，35kV母线装设动态无功补偿装置1组.在此基础上，规划建立二期工程.在建设风电场之前要对风电场建设可行性进行分析和论证.风资源评估作为分析风电场建设的可行性的基础，是大力发展风力发电的重要前提条件.

1 风电场和轮毂高度的风资源测评

1.1 参证气象站与测风塔基本情况

距风电场最近的气象站为化德县气象站，属国家基本气象站.化德县气象站位于乌兰察布市化德县长顺镇，距风电场约24km，该站设立于1952年，至今已有50多年的观测记录.1958年站址迁至朝阳镇，1967年6月气象站由朝阳镇迁回化德县城关镇（即现在的长顺镇），距原址7.5km，方位SE，东经114°00′，北纬41°54′，观测场海拔高度为1482.7m.

采集到的化德县气象站资料包括：

（1）1958年1月～2008年12月各年逐月平均风速；

（2）2006年1月1日～2006年12月31日逐时平均风速风向；

（3）其它常规气象要素资料.

以化德县气象站为风电场的参证气象站，并对其测风资料进行综合分析.

本项目提供了1260号和1270号测风塔，1260号测风塔位于本期工程的风场范围西南角，采用Nomad公司的采集设备，坐标E114°15′56″，N41°58′09″，海拔1516m，概况见表1.1270号测风塔距离1260号测风塔8km，方位WNW，坐标N41°59′34″，E114°09′57″，海拔1472m，测风塔配置与1260号测风塔配置一样.两测风塔10m、30m、50m、60m、70m高度测风数据的相关性系数分别是0.75、0.76、0.76、0.77、0.72，相关性较好.本规划以本期风电场内的1260号测风塔的所测风况数据为依据，其测风数据可以代表本风场的资源情况.测风年为2006年1月1日到2006年12月31日.

表1 1260号测风塔配置一览表

1.2 测风塔数据验证和各高度测风数据相关分析

为了有效评估风电场的风能资源，应对1260号测风塔原始的测风数据进行验证，检验出不合理的数据和缺测数据，并对其进行处理，经对测风塔的测风数据统计，判别1260号测风塔的有效数据完整率为95.7%.

根据1260号测风塔实测资料分析，测风塔各高度风速相关系数见表2，由表可知，测风塔各高度间风速具有良好的相关性.

表2 测风塔各高度测风数据相关性

1.3 测风塔与气象站的数据相关分析与修正

由于1260号测风塔70m高度处风速缺测较多，因此采用60m高度处的风速数据进行相关性的分析以及代表年的修正.将1260号测风塔60m、10m高度处的2006年1月1日到2006年12月31日测风资料与化德县气象站同步实测的风速、风向数据进行16个风向扇区的相关分析，相关函数采用线性方程y＝kx＋b，其中：y代表风电场风速，x代表气象站风速.

经过数据分析可知，气象站与风电场测风塔60m、10m高度的测风数据只在风向扇区（NE－ESE）上相关性较差，因此可以认为化德气象站与风电场1260号测风塔之间具有较好的相关性.

根据《风电场风能资源评估方法》GB／T18710－2002标准，根据风电场附近的气象站长期观测数据，将验证后的风电场测风数据订正为一套能够反映风电场长期平均风况的代表性数据.根据化德县气象站1958年1月～2008年12月共51年观测资料分析的各长序列时间段的平均风速结果分析，气象站的长序列风速呈递减趋势.选用近17年（1992－2008年）作为长期系列，对应各象限风速相关曲线，求出其风速代数差值，将测风塔数据的各个风向象限内的每个风速都加上对应的风速代数差值，就获得风电场代表年的风速系列.基于此，进行风电场的风资源评价.

1.4 风电场风况分析

依据1260号测风塔测风年数据，进行风电场测风年的风况分析.根据风电场60m高度、50m高度、30m高度、10m高度测风年风速、风功率密度分布状况，可知，风电场各高度年内日平均风速变化整体起伏较大，呈周而复始的规律，其中60m、50m高度处每日上午8时许风速最低、然后逐渐升高，到下午15时许风速达到最高，至30m、10m高度风速的日变化趋势与70m、60m、50m高度处基本相同，只是风速的最低值出现在上午的6时许，最大值出现在下午14时许.风功率密度日变化也基本遵循此规律.

由于风的随机性很大，因此在判断一个地方的风况时，必须依赖于风的频谱特性，一般来说，年度风速风能频率分布曲线最有代表性.根据风速WEIBULL分布曲线分析，60m高度风速的众值都出现在3～12m／s风速区间，约占全部风速分布的82%；风能的众值都出现在8～18m／s风速区间，约占全部风能的82%；10m高度风速的众值都出现在3～11m／s风速区间，约占全部风速分布的82%；风能的众值都出现在7～18m／s风速区间，约占全部风能的86%.风电场的盛行风向主要集中于157.5°～315°（SSE～NW）之间，占总风能的85.0%.由以上分析可知，该风电场的风向稳定性较好，风能较为集中.

1.5 风电场风能资源总体评价

（1）风能资源

风电场测风塔60m、10m高度处代表年的年平均风速分别为8.1m／s、7.1m／s；年平均风功率密度分别为487.8W／m2、369.5W／m2.

（2）有效风时数较高

风电场测风塔60m、10m高度处代表年年有效风速小时数分别为8121h（3～25m／s）、7953h（3～25m／s）.

（3）风向稳定，风能分布集中

风电场60m、10m高度代表年风向及风能主要集中于157.5°～315°（SSE～NW）之间，占总风能的87.2%和85.0%.

（4）破坏性风速小

60m高度处50年一遇最大风速为39.8m／s，湍流强度（I15m／s）为0.09.

综上所述该风电场代表年60m高度年平均风速为8.1m／s，年平均风功率密度为487.8W／m2，风功率密度等级属于4级，其年有效风速小时数达8121h（3～25m／s），盛行157.5°～315°（SSE～NW）风，风向稳定、破坏性风速小，风能资源丰富，具备较高的开发价值，适宜建设大型风电场.

2 基于风资源测评的风力发电机组比选

由于所选机型的轮毂高度均在60～70m之间，因此，更应该考虑在此高度下的风况，风电场轮毂高度处特征参数见表3.

表3 风电场轮毂高度处特征参数

综合以上数据资料，该风场适宜选用IECⅡC类及以上的风电机组.这样可以更好的利用当地的风能资源.目前国内外各种机组的技术水平日渐成熟，根据场区的地形结合当地的风资源情况，初步选择三种不同功率等级的风力发电机组进行比选.

等级一：单机容量为1250kW，共布置40台风力发电机组，总装机为50MW.

等级二：单机容量为1500kW，共布置33台风力发电机组，总装机为49.5MW.

等级三：单机容量为2000kW，共布置25台风力发电机组，总装机为50MW.

对各种比选机型方案分别计算各自的发电量、单位千瓦时投资，见表4.

表4 各机型技术经济比较表

根据上表比较，各比选机型中WTG1500年理论发电量及年等效满负荷小时数较高，单位千瓦时投资最低，而其他机型年理论发电量及年等效满负荷小时数较低，单位千瓦时投资较高.而且考虑了风电场地区的地形及交通运输条件，机组国产化，占地以及业主的意见等因素后，初步选择了单机容量为1500kW的不同低温型大桨叶的机型进行比选，各机型特征参数如表5.