刘江明
（中广核（湖南）新能源开发有限公司，湖南 长沙 410000）
［摘 要］文章从风资源分析、机型选择、布机位置确定等方面对风电工程的设计原则进行简要说明，并对风电场选址、机组选型、发电量计算等重要环节加以说明，同时对设计过程中需要注意的问题展开分析。
［关键词］风电工程；风资源；微观选址
［中图分类号］TM76
［文献标志码］A
［文章编号］1001–523X（2020）10–0049–02
风电作为重要的可再生能源之一，近年来发展非常迅速，成为了替代化石能源的重要能源形式。风电工程设计环节中的风电场宏微观选址、风能资源分析、机组选型、发电量计算是影响风电场效益的重要因素，因此，设计者须考虑以上设计要点，确保风电工程设计的科学性、合理性和效益最大化。
1 风电工程设计原则首先，风电工程的设计需遵循风资源优质这一原则，根据目前风电机组技术发展水平以及上网电价情况，需保证风电场区域年平均风速≥5m/s，同时风功率密度≥150W/m2。风电场内盛行风向稳定，便于布置机组。为避免风速对电网产生影响，需要保证风电场内风速季节性和日变化等幅度较小。其次，机组选择和风电工程建设投资以及年发电量等息息相关，遵循机组经济选型原则，可结合风场的风资源特点，确保机组安全性的前提下提高发电量，以提升风电工程效益。最后，采用测风塔实测风速、测绘地形图、机型功率曲线，优化机组排布方式。平坦地形情况下，考虑地面障碍物的影响，避免障碍物形成尾流扰动区影响机组的正常运行；复杂地形情况下，考虑谷地方向与主要盛行风向的关系，当有孤立的小山丘或山峰时，在山丘顶上和山丘与盛行风向相切的两侧上部是最佳的安装位置
[1]。
2 风电工程设计过程重点环节的注意问题2.1 风电场选址问题
选择风电场场址时需综合考虑风能资源、电网接入、区域限电、施工建设条件等因素。在平坦地形的场址区域，侧重于选择风能资源好的区域，使风电场发电量最大化；复杂地形的场址区域，除考虑风能资源好，还需要考虑施工建设条件，确保风电机组和塔筒等大部件能运输到机位点，同时确保单个机位的施工成本在合理范围内
[2]。
风电场如位于复杂山地区域，除施工成本外，还需要考虑对生态环境的影响。影响施工成本的较大因素有道路工程量、植被破坏与恢复量、基础开挖量等。风电场道路施工成本太高时，即使是资源较好也会使项目收益达不到要求。风电场施工过程中产生的噪声、灯光等会对栖息和觅食的鸟类产生一定的影响，使区域中分布的鸟类数量减少、多样性降低
[3]。风电场选址时应避开鸟类迁徙通道。
2.2 机组选型问题
2.2.1 安全评估
风电场进行机组选型时，常根据IEC61400-1风力发电机设计要求确定适用机型。
表1中，V
ref代表参考风速；A代表高湍流强度；B代表中湍流强度；C代表低湍流强度；I
ref代表风速在15m/s时的湍流强度
[4]。最大风速和湍流是风电机组安全评估的两个最重要的指标。风电机组所能承受的最大风速应低于风电场最大风速，机位点湍流强度应低于风电机组所能承受的湍流强度，一般不高于0.25，湍流过大会导致风电机组性能不稳，严重时会因极限载荷超标而破坏风电机组。
表1 风力发电机组等级基本参数
风电机组安全评估时还需要考虑风电场风切变，一般要求不超过0.2，且不出现负值。各机位点的入流角应小于8°，如超过需增加计算风电机组的极限载荷。风电机组厂家应根据现场微选结果，给出最终的机组安全性分析报告。
2.2.2 经济性指标
风电机组是风电场的主要设备，其投资约占风电场总投资的60%~80%。除要保证安全性外，要重点考虑风电机组的发电能力、运输通过性、环境适应性等指标。
单位千瓦扫风面积表述风电机组吸收的风能和发电功率之间的关系，可以衡量风电机组发电的能力，它指的是风电机组扫风面积与发电机功率的比值，单位是m2/kW。目前市场上的单机容量以2.5MW及以上为主，叶轮直径以140m及以上为主。较大的叶轮直径已达到155m，单机容量为3MW，单位千瓦扫风面积大幅增加，可达到6.287m2/kW。在机位点充足、运输受限的区域，可选择单机容量适中、叶轮直径适中的风电机组；在机位点较少、运输不受限的区域，可选择单机大容量、大叶轮的风电机组，节约施工成本，降低项目的总造价。
2.2.3 运输通过性
机组选型时要考虑运输通过性的问题。在场地平坦程度、运输、安装等条件允许的前提下，可选择单机容量大的机组，这样可以充分利用土地资源，提高项目的经济性。但单机大容量、大叶轮机组对桥梁、隧道、高速路出入口、场内道路、吊装等有更高的要求，会增加运输难度或大幅增加施工成本
[2]。因此，当地形较为复杂时，则要综合考虑运输、安装等成本后选择合适的单机容量和叶轮直径。
2.2.4 环境适应性
风电机组是户外长期运行的大型复杂设备，气候环境对机组有重要影响包括温度、湿度、盐雾等环境因素。从温度上划分，风电机组主要分为低温型、常温型和高温型三种。低温时，会导致风电机组出现过载现象，同时也会引起风轮、叶片、阻尼等结构特性发生变化；高温时需要充分考虑机组散热性能。湿度除会引起塔筒、叶片、机舱内的机械部件腐蚀和老化外，还会导致电气部件的绝缘材料电阻和热性能降低，引起电子元器件性能降低，选型时要根据风电场湿度选择潮湿型或标准型机组。盐雾在湿润空气中电离出大量的氯离子，导致金属材料零部件腐蚀。环境温度为35℃，盐液质量分数在3%时对物体的腐蚀作用最大
[5]。盐雾还可能腐蚀塔筒内的连接件和焊接部位，给机组运行带来巨大安全隐患。
2.3 发电量计算
国内使用WAsP和MeteodynWT较为广泛，其中WAsP适合在平坦地形风电场使用，MeteodynWT更适合在复杂地形风电场使用。
不论采用WAsP还是MeteodynWT，发电量计算的输入条件都需要有测风数据、等高线图、布机方案、机组功率曲线。尽量采用轮毂高度或接近轮毂高度的测风数据，测风数据时间段越长越好，至少连续一年的现场实测值，收集的有效数据完整率应大于90%，低于90%或连续缺测数据大于15天以上需进行插补。测风数据还应使用气象站或中尺度数据进行长期订正，用于订正的数据应具备同期测风结果相关性较好、具有30年以上规范测风记录、与风电场地形相似和距离风电场较近这四个条件。为准确评估上网电量，平坦地形风电场可采用1：5000等高线图，复杂地形风电场采用1：2000的等高线图。等高线图的等高距应小于5m，且等高线图在拟建风电场区域外延应在5km及以上
[6]。风电场区域粗糙度差异较大时，需对粗糙度图进行处理，粗糙度长度、地表覆盖物类型和粗糙度类型的关系，见表2。
表2 地表覆盖物类型和粗糙度类型的关系
[1]
布机方案应遵循以下原则：
（1）当风电场所在地区有3个或3个以上的盛行风向时，机组之间的排列一般适合按照圆形布置；
（2）布置风力发电机时，在平行于主风向的行距上机组之间应该保持5D~9D（D为风轮直径）的间隔，而在垂直于盛行风向的列距上则应该保持3D~5D的距离间隔；
采用软件计算发电量后，需要根据项目所在地及机组实际情况对发电量结果进行折减。
（1）空气密度修正：如采用风电场当地空气密度下功率曲线，该项折减取值100%；
（2）尾流影响折减：计算软件的理论发电量已包含尾流折减，该项折减取值100%；
（3）风电机组利用率：目前风电机组可利用率普遍在97%以上，该项折减取值97%；
（4）叶片污染折减：考虑风电场风沙、叶片腐蚀和虫蚀等，该项折减取值98%；
（5）控制及湍流强度：机组控制滞后于风的变化，造成发电量损失，风电场湍流强度对发电能力有一定影响，该项折减取值96%；
（6）场用电、线损等损耗：场用电及线损标准一般控制在4%~5%，建议该项折减取值95%~96%；
（7）功率曲线修正：该项折减取值98%；
（8）气候折减：影响发电量的情况有叶片冰冻，有冰冻影响地区气候折减采用98%-累计冰冻天数/60×6%，无冰冻影响时该项折减取值98%；
（9）不确定因素折减：其他未考虑的因素，如软件计算误差、地图数据误差、测风塔代表性、代表年修正等，山地项目一般取95%，平地项目一般取96%。
完成发电量计算后，需分析各个机位点的发电量数值，对个别发电量很低的机位点要进行单个点的经济性分析，确定是否保留该机位点；对湍流值较大的机位点重点分析机组的安全性；对尾流较大的机位点，适当调整排布方案以降低尾流影响。
3 结束语风电工程的设计工作专业性强、流程复杂、细节繁琐，多种输入条件相互耦合，需要设计人员合理选择风电场址，不断优化设计方案，结合工程需求、环境因素等确认机组选择，优化机组排布方案并完成上网电量的计算，评估工程效益，保证设计过程要点明确，细节合理，提高设计效益。
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Important Links in Wind Power Engineering Design and Issues that Should be Noted
Liu Jiang-ming
［Abstract］This article briefl y describes the design principles of wind power engineering from the aspects of wind resource analysis,model selection, and placement of machine layout. Analyze the issues that need attention in the design process.
［Keywords］wind power project; wind resources; micro site selection
